JP2023520579A - Systems and methods of dynamic micro-optical coherence tomography for mapping cellular function - Google Patents

Systems and methods of dynamic micro-optical coherence tomography for mapping cellular function Download PDF

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Abstract

生体サンプルから画像データ及び機能データを得るための装置であって、複数の時点において撮像平面に沿って、生体サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得するように構成された干渉計であって、撮像平面の少なくとも1つの軸は、深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸である干渉計と、干渉計から干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサと、を備えており、プロセッサは、干渉情報を処理して撮像平面に沿った生体サンプルの画像を生成し、干渉情報の複数の時点に基づき、生体サンプルの力学的機能により引き起こされた時間変調を反映した周波数情報を求め、生体サンプルの力学的機能を示す周波数情報の空間マップを生成するように構成されている装置。【選択図】図1An apparatus for obtaining image data and functional data from a biological sample, the apparatus being configured to obtain interferometric information based on radiation provided by interference of the biological sample with a reference along an imaging plane at a plurality of time points. an interferometer, wherein at least one axis of the imaging plane is an axis along at least a depth dimension or an axial dimension; and a processor configured to receive interference information from the interferometer. , wherein the processor processes the interferometric information to generate an image of the biological sample along the imaging plane, and based on the multiple time points of the interferometric information, the temporal modulation induced by the mechanical features of the biological sample. An apparatus configured to determine reflected frequency information and generate a spatial map of frequency information indicative of mechanical function of a biological sample. [Selection drawing] Fig. 1

Description

<関連出願の相互参照>
本願は、米国特許出願第63/005,676号(出願日:2020年4月6日)、同第63/126,454号(出願日:2020年12月16日)、及び同第63/157,432号(出願日:2021年3月5日)に基づくものであり、またこれらの出願に係る優先権を主張するものであり、これら出願の開示内容は全て、参照により本願の記載内容に含まれるものとする。
<Cross reference to related applications>
No. 63/005,676 (filed April 6, 2020), 63/126,454 (filed December 16, 2020) 157,432 (filed March 5, 2021) and claiming priority to these applications, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. shall be included in

<連邦政府の支援による研究に関する言明>
なし。
STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED RESEARCH
none.

組織の細胞の顕微鏡調査は、疾患を理解したり診断する上で中心となるものである。歴史的に、静的な細胞表現型や形態学的特徴を特定することに焦点が当てられていた。このような標準的な手法は、例えば活性化や増殖状態等の機能を反映し得る細胞内分子運動等の特性に基づいて細胞の表現型を判定するための重要な機会を見逃してしまう時がある。特定の蛍光顕微鏡技術、位相差顕微鏡法、及びシングルセル(単一細胞)干渉顕微鏡法は細胞内運動性を調査するために使用されることが多いが、これらの顕微鏡技術は組織又は患者において容易に使用することができない。 Microscopic examination of tissue cells is central to understanding and diagnosing disease. Historically, the focus has been on identifying static cell phenotypes and morphological features. Such standard approaches sometimes miss important opportunities to determine cell phenotypes based on properties such as intracellular molecular movements that can reflect functions such as activation and proliferative states. be. Certain fluorescence microscopy techniques, phase-contrast microscopy, and single-cell (single-cell) interference microscopy are often used to investigate intracellular motility, but these microscopy techniques are readily available in tissues or patients. cannot be used for

よって、本願開示の実施形態例はマイクロ光コヒーレンストモグラフィ手順を提供するための方法、システム、構成体及びコンピュータアクセス可能な媒体に関するものであり、具体的には、細胞機能をマッピングするための高い空間分解能及び時間分解能の方法、システム、構成体及びコンピュータアクセス可能な媒体に関するものである。 Accordingly, example embodiments of the present disclosure relate to methods, systems, constructs and computer-accessible media for providing micro-optical coherence tomography procedures and, in particular, high-resolution images for mapping cellular function. Spatial and temporal resolution methods, systems, constructs and computer-accessible media.

横断面反射率イメージング技術は、組織内の屈折率界面からの散乱により生じる情報が得られる。この屈折率勾配は小さく一貫性に欠けるため、反射率イメージングはしばしば低コントラストの問題が存在する。本願では、組織内部の粒子の運動をサブセルラーレベルの分解能で撮像して解析し、他の造影手段を提供するためのシステム及び方法を開示する。さらに、粒子の運動によって、機能や代謝について把握できる組織の力学的特性についての情報が得られる。 Cross-sectional reflectance imaging techniques provide information arising from scattering from refractive index interfaces within tissue. Because this refractive index gradient is small and inconsistent, reflectance imaging often suffers from low contrast. Disclosed herein are systems and methods for imaging and analyzing the motion of particles within tissue at sub-cellular resolution to provide other imaging modalities. In addition, particle motion provides information about the mechanical properties of tissue that can be understood about function and metabolism.

代謝は、細胞内プロセスにより生じる分子運動及び小器官運動を生じさせ、これは、熱駆動されるブラウン運動とは異なり得る。このプロセスにより生じる分子運動により、マイクロ光コヒーレンストモグラフィ(マイクロOCT)画像に信号変動が生じる。横断面撮像平面又は3つの次元においてこの変動を記録し、その後に時間的な周波数情報を抽出することにより、形態画像に重畳できる周波数マップを得ることができる。この技術は、異なる小器官種類や細胞種類間の周波数成分の差に基づき、ダイナミック・マイクロOCT(d-マイクロOCT)との呼称の技術において生きた組織の顕微鏡的特徴を描出することができる。 Metabolism gives rise to molecular and organelle movements caused by intracellular processes, which can be different from thermally driven Brownian motion. Molecular motion caused by this process causes signal fluctuations in micro optical coherence tomography (micro-OCT) images. By recording this variation in the transverse imaging plane or in three dimensions and subsequently extracting the temporal frequency information, a frequency map can be obtained that can be superimposed on the morphological image. This technique is based on differences in frequency content between different organelle types and cell types, and is capable of delineating microscopic features of living tissue in a technique termed dynamic micro-OCT (d-micro-OCT).

ダイナミック・マイクロOCTは、人間の生検や、マウスモデルにおいて成長した化学療法処置対象の腫瘍に適用されてきた。人間の生検では、顕微鏡的特徴(例えば細胞核、小器官及び細胞膜等)、細胞構造(例えば扁平上皮細胞、腺細胞、炎症細胞等)、並びに、対応する通常のマイクロOCT画像では分からなかった異なる細胞種類を区別するためにd-マイクロOCTを使用することが可能である。生体外実験も、人間の細胞系により成長した腫瘍を用いて行われていた。少量の化学療法薬物を入れた特注のマイクロデバイスが腫瘍に挿入されていた。例えば、腫瘍内アポトーシスの作用をd-マイクロOCTによって区別し、アポトーシスマーカとしての切断カスパーゼ3(cleaved caspase-3、CC3)により染色された組織画像によって確認していた。 Dynamic micro-OCT has been applied to human biopsies and chemotherapy-treated tumors grown in mouse models. Human biopsies reveal microscopic features (e.g. cell nuclei, organelles and cell membranes), cellular structures (e.g. squamous cells, glandular cells, inflammatory cells, etc.), and different cells not visible on the corresponding routine micro-OCT images. It is possible to use d-micro OCT to distinguish between species. In vitro experiments have also been performed with tumors grown by human cell lines. A custom-made microdevice containing small doses of chemotherapy drugs had been inserted into the tumor. For example, the effect of intratumoral apoptosis was differentiated by d-microOCT and confirmed by tissue imaging stained with cleaved caspase-3 (CC3) as an apoptosis marker.

かかる組織運動を調べるための他の報告されている手法は、非OCT技術(例えば細胞培養における粒子追跡等)を使用するか、組織表面に対して平行なアンファス(横断方向)平面においてOCTを使用するか、又は、細胞レベルに満たない解像度の低解像タイプのOCTを使用するものであった。よって、組織全体の各細胞の力学的特性を調べることができる横断面撮像平面においてサブセルラーレベルの解像度のイメージングを提供できる光イメージング技術は、d-マイクロOCTのみである。 Other reported approaches to study such tissue motion use non-OCT techniques (such as particle tracking in cell culture) or use OCT in the anphas (transverse) plane parallel to the tissue surface. Alternatively, a low-resolution type of OCT with sub-cellular resolution was used. Thus, d-micro-OCT is the only optical imaging technique that can provide sub-cellular resolution imaging in a transverse imaging plane that can probe the mechanical properties of individual cells throughout tissue.

得られる結果の改善を図れる上記の装置や手順の特徴は、個々のセルの代謝活動を可視化するためのダイナミック横断面イメージング、細胞内運動、細胞運動及び細胞外運動の周波数成分を求めるためのアルゴリズム、及び特異な細胞成分を区別するように周波数成分を可視化するための表示手法を開発及び使用することを含むが、これらに限定されない。 Features of the above apparatus and procedures that may improve the results obtained include dynamic cross-sectional imaging for visualization of the metabolic activity of individual cells, algorithms for determining the frequency content of intracellular, cellular and extracellular motility. , and developing and using display techniques to visualize frequency content to distinguish distinct cellular components.

特定の実施形態では、本願にて開示するベンチトップ型d-マイクロOCT装置及び方法は、人間の被検者における細胞力学的特性の臨床評価を可能にできるプローブベースのイメージングシステムに適したものとすることができる。1つの用途は、患者ごとに、異なる化学療法が装填された腫瘍内マイクロデバイスに組み込み、異なる薬物の効能を評価するというものである。これにより、個人別に最良の処置を決定するための時間が短縮化される。他の1つの用途は、組織を切除することなく疾患を診断するため、d-マイクロOCTプローブを人体に挿入できるというものである。さらに他の1つの実施形態では、皮膚の顕微鏡画像を得るためにd-マイクロOCTを外用で用いることができる。 In certain embodiments, the benchtop d-micro OCT apparatus and methods disclosed herein are suitable for probe-based imaging systems capable of enabling clinical assessment of cytomechanical properties in human subjects. can do. One application is to incorporate different chemotherapy-loaded intratumoral microdevices on a patient-by-patient basis to assess the efficacy of different drugs. This reduces the time to determine the best treatment for an individual. Another application is that the d-micro OCT probe can be inserted into the human body to diagnose disease without ablating tissue. In yet another embodiment, d-micro OCT can be used externally to obtain microscopic images of skin.

また、細胞機能についての上記の追加情報により、伝統的な生検や通常のマイクロOCTを用いて行われる光生検より良好な診断値が提供され、この追加情報を高罹患リスクの被検者に対するサーベイランスツールとして使用できることも期待される。 In addition, the above additional information about cell function provides better diagnostic value than traditional biopsy or optical biopsy performed using conventional micro-OCT, and this additional information can be used in high morbidity risk subjects. It is also expected to be used as a surveillance tool.

一実施形態では本願開示は、生体内組織、切除された組織、三次元細胞培養、スフェロイド、又はオーガノイド等を含む生体組織から画像データ及び機能データを得るための装置を提供する。装置は、撮像平面に沿って、生体組織から戻った放射と参照により提供される放射とが干渉することに基づく干渉情報を取得するための干渉計であって、撮像平面は、少なくとも1つの組織深度分解軸を有する干渉計と、干渉計から干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサと、を備えており、プロセッサは、干渉情報を処理して撮像平面に沿った生体組織の形態画像を生成し、生体組織の力学的機能により引き起こされた干渉情報の時間変調から周波数情報を求め、生体組織の力学的機能を空間的にマッピングするレポートを単独で、又は標準的な形態画像と共に生成するように構成されている。 In one embodiment, the present disclosure provides an apparatus for obtaining image and functional data from biological tissue, including in vivo tissue, excised tissue, three-dimensional cell cultures, spheroids, or organoids, and the like. The apparatus is an interferometer for obtaining interference information based on interference of radiation returned from living tissue with radiation provided by a reference along an imaging plane, the imaging plane extending through at least one tissue. an interferometer having a depth-resolved axis; and a processor configured to receive interference information from the interferometer, the processor processing the interference information to produce a morphological image of living tissue along an imaging plane. to derive frequency information from the temporal modulation of the interference information induced by tissue mechanical functions, and to generate reports spatially mapping the tissue mechanical functions, either alone or in conjunction with standard morphological images. is configured to

他の一実施形態では本願開示は、生体組織から画像データ及び機能データを得るための方法を提供するものであり、方法は、撮像平面に沿って、生体組織から戻った放射と参照により提供される放射とが干渉することに基づく干渉情報を取得することと、ただし、撮像平面は少なくとも1つの組織深度分解軸を有し、干渉情報を処理して撮像平面に沿った生体組織の形態画像を生成することと、生体組織の力学的機能により引き起こされた干渉情報の時間変調から周波数情報を求めることと、生体組織の力学的機能を空間的にマッピングするレポートであって形態画像と組み合わせることができるレポートを生成することと、を含む。 In another embodiment, the present disclosure provides a method for obtaining image data and functional data from living tissue, the method provided along an imaging plane by radiation returned from the living tissue and a reference. obtaining interferometric information based on interfering with radiation from the imaging plane, wherein the imaging plane has at least one tissue depth resolution axis, and processing the interferometric information to form a morphological image of the living tissue along the imaging plane. generating, determining frequency information from the temporal modulation of the interference information induced by the mechanical function of the tissue, and a report spatially mapping the mechanical function of the tissue and combining it with the morphological image. generating a report that can.

他の一実施形態では、本願開示はd-マイクロOCTの改善された空間分解能のためのシステム及び方法を提供する。改善された空間分解能は、サブピクセルサンプリング法と、バルクサブピクセル運動と、オプティカルエイリアシングとを用いることにより表現される。空間分解能が高いと、細胞内のより細部を可視化することができる。本実施形態は、分子/小器官運動(例えば患者の運動、組織水和、又は機械的に誘発された被検体の運動等)に少なくとも部分的に依存しない組織固有の運動を利用するものである。この運動を利用することにより、マイクロOCT画像列の中の各画像をそれぞれ異なる視点から取得することができ、これにより、d-マイクロOCT情報を維持しつつサブピクセル解像度を達成することができる。 In another embodiment, the present disclosure provides systems and methods for improved spatial resolution of d-micro OCT. Improved spatial resolution is represented by using sub-pixel sampling methods, bulk sub-pixel motion, and optical aliasing. High spatial resolution allows visualization of more details within the cell. The present embodiments take advantage of tissue intrinsic motion that is at least partially independent of molecular/organelle motion (such as patient motion, tissue hydration, or mechanically induced subject motion). . By taking advantage of this motion, each image in the micro-OCT image sequence can be acquired from a different viewpoint, thereby achieving sub-pixel resolution while preserving d-micro-OCT information.

他の一実施形態では、本願開示はd-マイクロOCTの改善された時間分解能のためのシステム及び方法を提供する。時間分解能は、フーリエ変換スペクトル外挿法によって向上される。時間分解能が高くなると、細胞内輸送のバルクが行われる低周波数の運動域での周波数分解能がより細やかになる。この進歩により、細胞内運動の周波数シグネチャに基づき、細胞や細胞活動の区別を向上させることができる。 In another embodiment, the present disclosure provides systems and methods for improved temporal resolution of d-micro OCT. Temporal resolution is improved by Fourier transform spectral extrapolation. The higher the temporal resolution, the finer the frequency resolution in the low-frequency range of motion where the bulk of intracellular transport takes place. This advance allows for improved differentiation of cells and cell activity based on the frequency signature of intracellular movements.

他の一実施形態では、本願開示はシングルスキャンのd-マイクロOCTのためのシステム及び方法を提供する。現在、d-マイクロOCT画像は取得に数秒もかかり、運動アーティファクトのため生体内での実施が困難である。空間的にオフセットした複数のビームを用いて同時に位相取得を行う方法により、d-マイクロOCTを1回のスキャンで行うことができる。この技術により、ハンドヘルド型のプローブ又は小径の可撓性プローブを体内で用いて、運動する生きた器官内でd-マイクロOCTを行うことができる。 In another embodiment, the present disclosure provides a system and method for single-scan d-micro OCT. Currently, d-micro OCT images take several seconds to acquire and are difficult to perform in vivo due to motion artifacts. Simultaneous phase acquisition with multiple spatially offset beams allows d-micro OCT to be performed in a single scan. This technique allows d-micro OCT to be performed in moving living organs using a handheld probe or a small diameter flexible probe inside the body.

特定の実施形態では本願開示は、生体サンプルから画像データ及び機能データを得るための装置を提供するものであり、装置は、複数の時点において撮像平面に沿って、前記生体サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得するように構成された干渉計であって、前記撮像平面の少なくとも1つの軸は、深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸である干渉計と、前記干渉計から前記干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサと、を備えており、前記プロセッサは、前記干渉情報を処理して前記撮像平面に沿った前記生体サンプルの画像を生成し、前記干渉情報の前記複数の時点に基づき、前記生体サンプルの力学的機能により引き起こされた時間変調を反映した周波数情報を求め、前記生体サンプルの前記力学的機能を示す前記周波数情報の空間マップを生成する。 In certain embodiments, the present disclosure provides an apparatus for obtaining image data and functional data from a biological sample, wherein the biological sample interferes with a reference along an imaging plane at multiple time points. wherein at least one axis of said imaging plane is an axis at least partially along a depth dimension or an axial dimension. and a processor configured to receive the interference information from the interferometer, the processor processing the interference information to generate an image of the biological sample along the imaging plane. determining frequency information reflecting temporal modulation caused by a mechanical function of the biological sample based on the plurality of time points of the interference information; and generating a spatial map of the frequency information indicative of the mechanical function of the biological sample. Generate.

他の実施形態では本願開示は、生体サンプルから画像データ及び機能データを得るための方法を提供するものであり、方法は、干渉計を用いて、複数の時点において撮像平面に沿って、前記生体サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得することと、ただし前記撮像平面の少なくとも1つの軸は、深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸であり、前記干渉計から前記干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサを用いて、前記干渉情報を処理して前記撮像平面に沿った前記生体サンプルの画像を生成することと、前記プロセッサを用いて、前記干渉情報の前記複数の時点に基づき、前記生体サンプルの力学的機能により引き起こされた時間変調を反映した周波数情報を求めることと、前記プロセッサを用いて、前記画像に対する前記周波数情報の空間マップであって前記生体サンプルの前記力学的機能を示す空間マップを生成することと、を含む。 In another embodiment, the present disclosure provides a method for obtaining image data and functional data from a biological sample, the method comprising using an interferometer to scan the biological sample along an imaging plane at multiple time points. obtaining radiation-based interference information provided by interfering a sample with a reference, wherein at least one axis of the imaging plane is an axis along at least a depth dimension or an axial dimension; processing the interference information to generate an image of the biological sample along the imaging plane with a processor configured to receive the interference information from an interferometer; determining frequency information reflecting temporal modulation induced by mechanical functions of the biological sample based on the plurality of time points of information; and, with the processor, a spatial map of the frequency information to the image. generating a spatial map indicative of the mechanical function of the biological sample.

さらに他の実施形態では、本願開示はサンプルから画像データ及び機能データを得るための装置を提供するものであり、装置は、撮像平面に沿って、前記サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得するための干渉計であって、前記撮像平面の少なくとも1つの軸は、深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸である干渉計と、前記干渉計から前記干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサと、
を備えており、前記プロセッサは、前記干渉情報を処理して前記撮像平面に沿った前記サンプルの画像を生成し、前記サンプルにより生じた時間的変動の周波数解析を行うように構成されており、前記解析は、前記干渉情報のスペクトル情報を求めることと、前記スペクトル情報を複数の周波数範囲にビニング処理することと、前記複数の各周波数範囲に対応する複数の色を含む擬似カラーコンポジット画像であって、前記サンプル内の細胞内運動の差に相当するコントラスト部分を含む擬似カラーコンポジット画像を生成することと、を含む。
In yet another embodiment, the present disclosure provides an apparatus for obtaining image data and functional data from a sample, the apparatus provided by interfering said sample with a reference along an imaging plane. 1. An interferometer for obtaining radiation-based interference information, wherein at least one axis of the imaging plane is an axis along at least a depth dimension or an axial dimension; a processor configured to receive interference information;
wherein the processor is configured to process the interference information to generate an image of the sample along the imaging plane and perform a frequency analysis of temporal variations induced by the sample; The analysis includes obtaining spectral information of the interference information, binning the spectral information into a plurality of frequency ranges, and a pseudo-color composite image including a plurality of colors corresponding to each of the plurality of frequency ranges. to generate a false-color composite image containing contrast portions corresponding to intracellular motion differences within the sample.

さらに他の実施形態では本願開示は、生体サンプルから画像データ及び機能データを得るための装置を提供するものであり、装置は、複数の時点において撮像平面に沿って、前記生体サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得するように構成された干渉計であって、前記撮像平面の少なくとも1つの軸は、深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸である干渉計と、前記干渉計から前記干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサと、を備えており、前記プロセッサは、前記干渉情報を処理して、前記撮像平面に沿った複数の画素を有する前記生体サンプルの画像を生成し、前記複数の時点で取得された前記干渉情報の時間変調であって前記生体サンプルの力学的機能により引き起こされた時間変調の時間周波数解析を用いることにより前記複数の各画素について周波数スペクトルを推定し、前記生体サンプルの前記力学的機能を前記画像に空間的にマッピングするレポートを生成するように構成されている。 In yet another embodiment, the present disclosure provides an apparatus for obtaining image data and functional data from a biological sample, the apparatus comprising: at multiple time points along an imaging plane, the biological sample interfering with a reference; wherein at least one axis of said imaging plane is an axis at least partially along a depth dimension or an axial dimension. an interferometer; and a processor configured to receive the interference information from the interferometer, the processor processing the interference information to produce the image having a plurality of pixels along the imaging plane. generating an image of the biological sample; and using a time-frequency analysis of the temporal modulation of the interferometric information acquired at the plurality of time points, the temporal modulation caused by a mechanical function of the biological sample. It is configured to estimate a frequency spectrum for pixels and generate a report spatially mapping the mechanical features of the biological sample to the image.

他の実施形態では本願開示は、生体サンプルから画像データ及び機能データを得るための方法を提供するものであり、方法は、干渉計を用いて複数の時点において、少なくとも1つの軸が深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸である撮像平面に沿って、前記生体サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得することと、前記干渉計から前記干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサを用いて、前記干渉情報を処理して前記撮像平面に沿った前記生体サンプルの画像を生成することと、前記プロセッサを用いて、次元削減解析を使用して、前記干渉情報の前記複数の時点に基づき、前記生体サンプルの力学的機能により引き起こされた時間変調を反映した周波数情報を求めることと、前記プロセッサを用いて、前記画像に対する前記周波数情報の空間マップであって前記生体サンプルの前記力学的機能を示す空間マップを生成することと、を含む。 In another embodiment, the present disclosure provides a method for obtaining image data and functional data from a biological sample, the method comprising using an interferometer at multiple time points in which at least one axis is in the depth dimension or obtaining interference information based on radiation provided by interference of the biological sample with a reference along an imaging plane that is an axis that is at least partially along an axial dimension; and extracting the interference information from the interferometer. processing the interference information to generate an image of the biological sample along the imaging plane, with a processor configured to receive; determining frequency information reflecting temporal modulation induced by mechanical features of the biological sample based on the plurality of time points of interference information; and using the processor, a spatial map of the frequency information to the image. generating a spatial map indicative of the mechanical function of the biological sample.

以下の図面を参照して下記の本願開示の主題の詳細な説明を参酌すれば、本願開示の主題の種々の目的、構成及び利点をより完全に理解することができる。図面中、同様の符号は同様の要素を示している。 A more complete understanding of various objects, configurations and advantages of the disclosed subject matter can be obtained in view of the following detailed description of the disclosed subject matter with reference to the following drawings. Like numbers refer to like elements throughout the drawings.

開示されている種々の実施形態と共に用いられるマイクロOCT器具構成を示しており、ここで、ao:アナログ出力ボード、bs:ビームスプリッタ、imaq:画像取得ボード、cl:カメラレンズ、lsc:ラインスキャンカメラ、smf:シングルモードファイバ、pc:パーソナルコンピュータ、clc:カメラ接続ケーブルである。Fig. 2 shows a Micro-OCT instrument configuration for use with various disclosed embodiments, where ao: analog output board, bs: beam splitter, imaq: image acquisition board, cl: camera lens, lsc: line scan camera. , smf: single mode fiber, pc: personal computer, clc: camera connection cable. 人間の食道生検の画像である。パネル(A)は、生検の200フレームの平均的な標準のマイクロOCT画像を示す。パネル(B)は、種々の細胞内運動関連の周波数成分を示す多数の異なる細胞を示す擬似カラーd-マイクロOCT画像である。パネル(C)、(D)は、パネル(A)、(B)の各パネルに示されたサンプルにおける同一箇所の白色のROIの部分を拡大した図である。パネル(E)は、パネル(B)のd-マイクロOCT画像の黄色のROIの拡大図であり、細胞質(緑色)、細胞核(赤色)、及び細胞核周囲領域(青色)を示しており、これらは全てそれぞれ異なる周波数範囲を示す。パネル(F)は、パネル(A)の白色ROIからのd-マイクロOCT画像を示しており、これらはそれぞれ異なる周波数範囲に対応する。パネル(G)は、生検サンプルの対応する組織画像(H&E)である。d-マイクロOCTカラーコード:赤色0~0.08Hz、青色0.55~0.78Hz、緑色4.00~20.0Hz。バー表示:別段の指定が無ければ、100μm。1 is an image of a human esophageal biopsy. Panel (A) shows an average standard micro-OCT image of 200 frames of biopsy. Panel (B) is a pseudocolor d-micro OCT image showing a number of different cells exhibiting various intracellular movement-related frequency components. Panels (C) and (D) are enlarged views of white ROI portions at the same locations in the samples shown in panels (A) and (B). Panel (E) is a magnified view of the yellow ROI of the d-micro-OCT image of panel (B), showing the cytoplasm (green), nuclei (red), and perinuclear regions (blue), which are All show different frequency ranges. Panel (F) shows d-micro-OCT images from the white ROI of panel (A), each corresponding to a different frequency range. Panel (G) is the corresponding histological image (H&E) of the biopsy sample. d-Micro OCT color code: red 0-0.08 Hz, blue 0.55-0.78 Hz, green 4.00-20.0 Hz. Bar indication: 100 μm unless otherwise specified. 広幅の周波数範囲にわたってプロービングされた細胞内力学的特性を示す図である。パネル(A)~(C)は、図2に示された人間の食道生検の周波数マップであり、パネル(A)では10Hz、パネル(B)では803Hz、パネル(C)では2972Hzである。バー表示=100μm。FIG. 3 shows intracellular dynamics probed over a wide frequency range. Panels (A)-(C) are frequency maps of the human esophageal biopsies shown in FIG. 2, 10 Hz in panel (A), 803 Hz in panel (B) and 2972 Hz in panel (C). Bar display = 100 µm. 人間の食道生検により得られた画像である。パネル(A)は、生検の200フレームの平均的なマイクロOCT画像を示す。パネル(B)はd-マイクロOCTのカラーコード画像である。パネル(C)は、サンプルの対応するH&E染色済み組織像を示す。パネル(D)~(H)は、パネル(A)及び(B)にて輪郭が示された乳頭の拡大図である。パネル(D)は乳頭の標準的なマイクロOCT画像である。パネル(E)及び(F)は、それぞれ1.57Hz、16~20Hzの乳頭のd-マイクロOCT画像である。パネル(G)は、乳頭のd-マイクロOCT擬似カラーコンポジット画像である。パネル(H)は乳頭の組織像である。p:乳頭。d-マイクロOCTカラーコード:赤色0~0.08Hz、青色0.55~0.78Hz、緑色4.00~20.0Hz。パネル(A)~(C)のバー表示=100μm。パネル(D)~(H)のバー表示=50μm。1 is an image obtained from a human esophageal biopsy. Panel (A) shows an average micro-OCT image of 200 frames of biopsy. Panel (B) is a color-coded image of d-micro-OCT. Panel (C) shows the corresponding H&E stained histology of the sample. Panels (D)-(H) are enlarged views of the papilla delineated in panels (A) and (B). Panel (D) is a standard micro-OCT image of the nipple. Panels (E) and (F) are d-micro-OCT images of the nipple at 1.57 Hz and 16-20 Hz, respectively. Panel (G) is a d-micro-OCT pseudocolor composite image of the papilla. Panel (H) is a histological image of the papilla. p: papilla. d-Micro OCT color code: red 0-0.08 Hz, blue 0.55-0.78 Hz, green 4.00-20.0 Hz. Bar display in panels (A) to (C) = 100 µm. Bar display in panels (D) to (H) = 50 µm. 人間の胃食道接合部の生検の画像である。パネル(A)は、生検の200フレームの平均的なマイクロOCT画像を示し、柱状の腺構築を示す(矢印)。パネル(B)は、腺を示すカラーコードd-マイクロOCT画像を示しており、下部に低周波領域の細胞(b)と、中央に高周波変調の細胞(m)と、上部に低周波の細胞(a)と、を含む。パネル(C)は、粘液細胞を示す生検の組織像との比較を示す。d-マイクロOCTカラーコード:赤色0~0.08Hz、青色0.55~0.78Hz、緑色4.00~20.0Hz。バー表示=100μm。1 is an image of a human gastroesophageal junction biopsy. Panel (A) shows a 200-frame average micro-OCT image of the biopsy, showing columnar glandular architecture (arrows). Panel (B) shows color-coded d-micro-OCT images showing glands with cells in the low-frequency region below (b), cells with high-frequency modulation in the middle (m), and cells with low-frequency above. (a) and Panel (C) shows a comparison with biopsy histology showing mucous cells. d-Micro OCT color code: red 0-0.08 Hz, blue 0.55-0.78 Hz, green 4.00-20.0 Hz. Bar display = 100 µm. 人間の頸部生検の画像である。パネル(A)は、頸部生検の200フレームの平均的な標準のマイクロOCT画像を示す。基底膜は記号bmで示されている。パネル(B)は対応するd-マイクロOCT画像である。基底層(b)及び副基体層(pb)が、中間層及び浅層から明確に描出できている。パネル(C)は、周波数範囲0.47~0.63Hz(パネル(B)の青色チャネル)に対応するd-マイクロOCT画像を示しており、細胞分布において点状領域を示す(矢印)。パネル(D)は対応するH&E組織像である。d-マイクロOCTカラーコード:赤色0~0.08Hz、青色0.47~0.63Hz、緑色4.00~20.0Hz。バー表示=100μm。1 is an image of a human neck biopsy; Panel (A) shows a 200-frame average standard micro-OCT image of a cervical biopsy. The basement membrane is indicated by the symbol bm. Panel (B) is the corresponding d-micro OCT image. The base layer (b) and the sub-substrate layer (pb) are clearly delineated from the intermediate and superficial layers. Panel (C) shows a d-micro-OCT image corresponding to the frequency range 0.47-0.63 Hz (blue channel in panel (B)) showing punctate areas in the cellular distribution (arrows). Panel (D) is the corresponding H&E histology. d-Micro OCT color code: red 0-0.08 Hz, blue 0.47-0.63 Hz, green 4.00-20.0 Hz. Bar display = 100 µm. 人間の頸部生検の横断面画像である。パネル(A)は、頸部生検の静的マイクロOCT画像である。パネル(B)は、対応するd-マイクロOCT画像である。基底層(b)及び副基体層(pb)が、中間層及び浅層から明確に描出できている。パネル(C)は対応するH&E組織像である。パネル(D)~(F)はパネル(B)のd-マイクロOCT画像の一部を拡大した図であり、パネル(D)では表在細胞の細部、パネル(E)では中間細胞を示し、パネル(F)では基底細胞/副基体細胞を示す。パネル(E)中の橙色の矢印(隣にアステリスク「」を付している)は細胞核(赤色)を示し、白色の矢印は細胞核周囲の中間周波数成分(青色)を示す。d-マイクロOCTカラーコード:赤色0~0.08Hz、青色0.47~0.63Hz、緑色3.98~20Hz。A~C中のバー表示、100μm;D~F中のバー表示、25μm。1 is a cross-sectional image of a human neck biopsy; Panel (A) is a static micro-OCT image of a neck biopsy. Panel (B) is the corresponding d-micro OCT image. The base layer (b) and the sub-substrate layer (pb) are clearly delineated from the intermediate and superficial layers. Panel (C) is the corresponding H&E histology. Panels (D)-(F) are enlarged views of a portion of the d-micro OCT image of panel (B), showing details of superficial cells in panel (D) and intermediate cells in panel (E); Panel (F) shows basal/subbasal cells. Orange arrows (with an asterisk " * " next to them) in panel (E) indicate cell nuclei (red) and white arrows indicate intermediate frequency components (blue) around the cell nucleus. d-Micro OCT color code: red 0-0.08 Hz, blue 0.47-0.63 Hz, green 3.98-20 Hz. Bars in AC, 100 μm; bars in DF, 25 μm. 複数の異なるd-マイクロOCTスキャンモード1~5を示す図であり、モード(1):N個のd-マイクロOCT画像を順次取得したものであり、モード(2):各スキャンポイントごとにN個のAラインを収集し、その後にビームを次のスキャンポイントに移動させ、横断面全体を撮像完了するまでこれを繰り返したものであり、モード(3):ビームをラスタディザリングして、複数の画像を異なる撮像平面で取得できるようにしたものであり、モード(4):複数の異なる撮像平面において画像を取得するために複数のビームを(直列又は並列に)走査したものであり、モード(5):距離dだけオフセットした2つのビームを同時に走査したものである。FIG. 2 shows several different d-micro OCT scan modes 1-5, mode (1): sequential acquisition of N d-micro OCT images, and mode (2): N scan points for each scan point. A-lines were collected, then the beam was moved to the next scan point, and so on until the entire cross-section was imaged. Mode (3): Raster dither the beam to obtain multiple mode (4): multiple beams are scanned (in series or in parallel) to acquire images at different imaging planes, mode (5): Simultaneous scanning of two beams offset by a distance d. 人間及び動物の切除直後の組織の横断面d-マイクロOCT画像である。パネル(A)は、人間の胃の噴門から採取した生検を示しており、これは、下部に低周波領域の細胞(b)と、中央に高周波変調の細胞(m)と、上部に低周波の細胞(a)と、を含む腺を示す。パネル(B)は豚の肝臓を示しており、洞様毛細血管、肝細胞索、肝細胞をインセットで示す。パネル(C)は人間の海馬(CA3)を示しており、歯状の線維束(d)及び終板(e)ニューロンを示している。パネル(D)はマウスの腎臓の尿細管(t)と糸球体(g)とを示す。パネル(E)は豚のリンパ節胞を示しており、これは、特異な周波数シグネチャを示す複数の異なるリンパ系細胞を含む。バー表示、100μm。Cross-sectional d-micro OCT images of freshly resected human and animal tissues. Panel (A) shows a biopsy taken from the cardia of the human stomach, showing cells in the low frequency region at the bottom (b), cells with high frequency modulation in the middle (m) and low frequency regions at the top (m). Fig. 1 shows a gland containing cells (a) and . Panel (B) shows a porcine liver with sinusoids, hepatocyte cords and hepatocytes in inset. Panel (C) shows the human hippocampus (CA3), showing dentate fascicles (d) and endplate (e) neurons. Panel (D) shows a mouse kidney tubule (t) and glomerulus (g). Panel (E) shows a porcine lymph node bleb, which contains multiple distinct lymphoid cells exhibiting unique frequency signatures. Bar display, 100 μm. 人間の食道生検の横断面d-マイクロOCT画像である。パネル(A)は、種々の細胞内運動関連の周波数成分を示す複数の異なる細胞を示す擬似カラーd-マイクロOCT画像である。パネル(B)~(D)は広幅の周波数範囲にわたってプロービングされた細胞内力学的特性を示す図であり、パネル(B)は10Hz、パネル(C)は803Hz、パネル(D)は2972Hzである。注目すべき点は、同じ種類の細胞が異なる周波数シグネチャを示すことである。バー表示、100μm。Cross-sectional d-micro OCT images of human esophageal biopsies. Panel (A) is a pseudocolor d-micro OCT image showing multiple different cells exhibiting different intracellular movement-related frequency components. Panels (B)-(D) show intracellular dynamics probed over a wide frequency range, panel (B) at 10 Hz, panel (C) at 803 Hz and panel (D) at 2972 Hz. . It should be noted that cells of the same type exhibit different frequency signatures. Bar representation, 100 μm. 中毒量のスタウロスポリン(STS)で48時間処置したB16F10スフェロイドから得られたd-マイクロOCTデータを示す図である。パネル(A)は未処置の対照スフェロイドを示し、パネル(B)は5μMのSTSで処置したスフェロイドを示す。スフェロイドd-マイクロOCTでは、その前の検証データ(不図示)に基づき、生きた細胞は青色、アポトーシス細胞は緑色、死んだ細胞は赤色である。パネル(C)は、薬物濃度に依存して、生きた細胞領域/死んだ細胞領域のヘキスト及びヨウ化プロピジウム染色処理されたスフェロイドのゴールドスタンダード(最高水準)共焦点顕微鏡像とd-マイクロOCTとの高い対応度を示す棒グラフである。パネル(A),(B)では、赤色0~0.08Hz、青色0.47~0.63Hz、緑色3.98~20Hzである。バー表示、100μm。d-Micro-OCT data obtained from B16F10 spheroids treated with toxic doses of staurosporine (STS) for 48 hours. Panel (A) shows untreated control spheroids and panel (B) shows spheroids treated with 5 μM STS. For spheroid d-microOCT, live cells are blue, apoptotic cells are green, and dead cells are red, based on previous validation data (not shown). Panel (C) Gold standard confocal microscopy and d-micro-OCT of Hoechst and propidium iodide stained spheroids of live/dead cell areas depending on drug concentration. is a bar graph showing a high degree of correspondence between In panels (A) and (B), 0 to 0.08 Hz for red, 0.47 to 0.63 Hz for blue, and 3.98 to 20 Hz for green. Bar display, 100 μm. ドキソルビシンを含むIMDで処置された(6時間)切除直後のネズミのMC38腫瘍の画像である。パネル(A)は、切断カスパーゼ3(CC3)IHCをミラーリングする中間周波数成分のびまん性領域(矢印)を示すd-マイクロOCT画像である。パネル(B)は、サンプルにおける同一箇所を示す。d-マイクロOCTカラーコード:赤色0~0.08Hz、青色0.47~0.63Hz、緑色3.98~20Hz。バー表示、200μm。Images of murine MC38 tumors immediately after resection treated with IMD containing doxorubicin (6 hours). Panel (A) is a d-micro-OCT image showing diffuse regions of intermediate frequency components (arrows) mirroring cleaved caspase 3 (CC3) IHC. Panel (B) shows the same spot in the sample. d-Micro OCT color code: red 0-0.08 Hz, blue 0.47-0.63 Hz, green 3.98-20 Hz. Bar display, 200 μm. 切除直後のネズミの肝臓の横断面d-マイクロOCT画像である。パネル(A)はt=0分の未処置の対照肝臓を示し、パネル(B)はt=40分の当該対照肝臓を示し、両時点において同様の周波数成分が見られる。パネル(C)は、t=0分の30μmブレビスタチンにおける肝臓を示し、パネル(D)はt=40分の当該肝臓を示し、処置後、高周波数の細胞内運動(緑色)が劇的に低減すると共に低周波数の細胞内運動(赤色)が増加したことを示す。d-マイクロOCTカラーコード:赤色0~0.08Hz、青色0.47~0.63Hz、緑色3.98~20Hz。バー表示、100μm。Cross-sectional d-micro-OCT image of a murine liver immediately after resection. Panel (A) shows an untreated control liver at t=0 min and panel (B) shows the control liver at t=40 min with similar frequency content at both time points. Panel (C) shows the liver in 30 μm blebbistatin at t = 0 min and panel (D) shows the liver at t = 40 min where high frequency intracellular movements (green) dramatically increased after treatment. Decreased and increased low frequency intracellular movements (red). d-Micro OCT color code: red 0-0.08 Hz, blue 0.47-0.63 Hz, green 3.98-20 Hz. Bar display, 100 μm. インターフェロン遺伝子の刺激薬により引き起こされた切除直後のネズミのMC-38腫瘍の画像である(STING、48時間)。パネル(A)は、腫瘍中の中間周波数成分の青色細胞(矢印)を示すd-マイクロOCT画像であり、パネル(B)においてサンプルにおける同一箇所でCD11b IHCにより浸潤好中球であることが確認される。d-マイクロOCTカラーコード:赤色0~0.08Hz、青色0.47~0.63Hz、緑色3.98~20Hz。バー表示、100μm。Images of murine MC-38 tumors immediately after resection induced by interferon gene stimulators (STING, 48 hours). Panel (A) is a d-micro-OCT image showing mid-frequency blue cells (arrows) in the tumor, confirmed as infiltrating neutrophils by CD11b IHC at the same location in the sample in panel (B). be done. d-Micro OCT color code: red 0-0.08 Hz, blue 0.47-0.63 Hz, green 3.98-20 Hz. Bar representation, 100 μm. 前腕後側から得られた人間の生体内皮膚のd-マイクロOCT画像である。基底層(b、青色)から角質層(sc、赤色)への移行において皮膚の成熟パターンが明確に確認することができる。白色の矢印は顆粒層(sg)を示しており、この細胞においてケラチン生成が行われているため、顆粒層はより活発になり得る(青色)。下部の画像は、基底層(隣にアステリスク「」を付した橙色の矢印)の隣の有棘層(ss)中の高周波数成分の細胞を示している。真皮内では高周波数運動の血管(v、緑色)も見られる。d-マイクロOCTカラーコード:赤色0~0.08Hz、青色0.47~0.63Hz、緑色3.98~20Hz。バー表示、100μm。d-Micro OCT image of human in vivo skin obtained from the back of the forearm. The maturation pattern of the skin can be clearly seen in the transition from the stratum basale (b, blue) to the stratum corneum (sc, red). White arrows indicate the stratum granulosum (sg), which may become more active (blue) due to keratinogenesis occurring in this cell. The bottom image shows high-frequency cells in the stratum spinosum (ss) next to the stratum basale (orange arrows with an asterisk " * " next to them). High-frequency motion vessels (v, green) are also visible within the dermis. d-Micro OCT color code: red 0-0.08 Hz, blue 0.47-0.63 Hz, green 3.98-20 Hz. Bar representation, 100 μm. 人間の食道生検の横断面d-マイクロOCT画像である。パネル(A)は標準的なd-マイクロOCT画像である。パネル(B)はパネル(A)の一領域を拡大した図であり、中間周波数成分の描出が弱い青色領域(矢印)を中央に有する細胞を示している。パネル(C)は、同一のデータセットから計算された超解像度d-マイクロOCT画像である。パネル(D)は、有意な解像度向上を示すパネル(C)の一部を拡大した図である。この超解像度d-マイクロOCT画像から、青色の中間周波数運動成分(矢印)が、良好に画定された曲線状の経路に沿って存在していることが分かる。d-マイクロOCTカラーコード:赤色0~0.08Hz、青色0.47~0.63Hz、緑色3.98~20Hz。バー表示、10μm。Cross-sectional d-micro OCT images of human esophageal biopsies. Panel (A) is a standard d-micro OCT image. Panel (B) is a magnified view of an area of panel (A), showing a cell with a central blue area (arrow) with weak representation of intermediate frequency components. Panel (C) is a super-resolution d-micro OCT image computed from the same dataset. Panel (D) is an enlarged view of a portion of panel (C) showing significant resolution enhancement. From this super-resolution d-micro OCT image, it can be seen that the blue intermediate frequency motion component (arrow) is present along a well-defined curvilinear path. d-Micro OCT color code: red 0-0.08 Hz, blue 0.47-0.63 Hz, green 3.98-20 Hz. Bar representation, 10 μm. DBPS-d-マイクロOCTシステム(上部)及び内視鏡プローブ(下部)の略図である。上部:2つのプローブビームをAスキャンレートで切り替える高速の光ファイバスイッチ(FOS)をサンプルアームに備えた従来のマイケルソン干渉計ファイバ型スペクトル領域OCTシステムである。SC LS-スーパーコンティニューム光源;FC-広帯域ファイバカプラ;RM-参照ミラー;FOS-光ファイバスイッチ;IP-撮像プローブ;SP-分光計;PC-パーソナルコンピュータ。下部:2つの個別の光学的マイクロOCTアセンブリを収容する機械的リニア・プルバック・プローブであり、これは、MMF自己結像(self-imaging)によってEDOFの面内ビーム分離を達成するものである。DS-駆動軸;SMF-シングルモードファイバ;MMF-マルチモードファイバ;SP-スペーサ;GL-屈折率分布レンズ;PR-プリズム;IW-撮像窓;OS-外部シース。Schematic representation of the DBPS-d-micro OCT system (top) and the endoscopic probe (bottom). Top: A conventional Michelson interferometer fiber-based spectral-domain OCT system with a fast fiber optic switch (FOS) in the sample arm that switches between two probe beams at the A-scan rate. SC LS - supercontinuum light source; FC - broadband fiber coupler; RM - reference mirror; FOS - fiber optic switch; IP - imaging probe; SP - spectrometer; PC - personal computer. Bottom: A mechanical linear pullback probe housing two separate optical micro-OCT assemblies, which achieves in-plane beam separation of the EDOF by MMF self-imaging. DS—drive shaft; SMF—single mode fiber; MMF—multimode fiber; SP—spacer; GL—gradient index lens; 本願開示の主題の一部の実施形態の生体組織から画像データ及び機能データを得るためのシステムの一例を示す図である。1 illustrates an example system for obtaining image and functional data from living tissue of some embodiments of the disclosed subject matter; FIG. 本願開示の主題の一部の実施形態の計算機及びサーバを具現化するために使用可能なハードウェアの一例を示す図である。1 illustrates an example of hardware that can be used to implement a computer and server of some embodiments of the disclosed subject matter; FIG. 本願開示の主題の一部の実施形態の生体組織から画像データ及び機能データを得るためのプロセスの一例を示す図である。[0014] Figure 4 illustrates an example process for obtaining image data and functional data from living tissue of some embodiments of the disclosed subject matter;

ここで開示するのは、画像コントラストが劇的に向上した細胞内力学的特性の横断面画像を得るために高解像度(例えばアキシャル解像度1μm)のマイクロ光コヒーレンストモグラフィ(マイクロOCT)を用いる手順の実施形態である。「ダイナミック・マイクロOCT(d-マイクロOCT)」と称されるこの手順の実施形態は、マイクロOCT画像の時系列を取得し、サンプルの各部分領域において別々又は個別に細胞内運動により生じる時間的変動のパワー周波数解析を例えば画素ごと又はボクセルごと等で行うことにより実施される。人間の切除直後の食道及び頸部生検サンプルのd-マイクロOCTイメージングの結果を本願明細書で開示する。損傷の無い組織の深度分解d-マイクロOCT画像から、細胞内力学的特性が、上皮表面成熟パターンのサブセルラーレベルの形態学的特性及び活動を強調するマイクロOCTのための新たなコントラストメカニズムを提供することが示される。他の一実施形態では、d-マイクロOCT画像は、サンプルにおける略同一の箇所かつ複数の異なる時点での放射位相の変化を計算することによって得られる。 Disclosed herein is a procedure using high-resolution (e.g., 1 μm axial resolution) micro-optical coherence tomography (micro-OCT) to obtain cross-sectional images of intracellular mechanical properties with dramatically enhanced image contrast. Embodiment. An embodiment of this procedure, termed “dynamic micro-OCT (d-micro-OCT),” acquires a time series of micro-OCT images and analyzes the temporal changes caused by intracellular movements separately or individually in each sub-region of the sample. This is done by performing a power frequency analysis of the variation, for example pixel by pixel or voxel by voxel. Disclosed herein are the results of d-micro OCT imaging of human post-resection esophageal and neck biopsy samples. From depth-resolved d-micro-OCT images of undamaged tissue, intracellular mechanical properties provide a novel contrast mechanism for micro-OCT that emphasizes subcellular-level morphological features and activity of epithelial surface maturation patterns. shown to do. In another embodiment, d-micro-OCT images are obtained by calculating changes in radiation phase at substantially the same location on the sample and at multiple different time points.

顕微鏡法の著しい進歩にもかかわらず、現在使用されている多くの技術は細胞の静的画像を得るものである。生きた細胞を撮像することにより、静的なスナップショットでは実現不可能であった小器官や細胞内の分子運動から病態生理学的情報を適時に得るという機能的な評価次元が新たに開拓される。細胞内力学的特性をプロービングする最新技術の例に、細胞内における蛍光トランスフェクションされた小器官又は積極的に摂動されるマイクロインジェクションされた蛍光粒子のいずれかを追跡するために蛍光顕微鏡技術を用いる技術がある。異種細胞集団が存在する損傷の無い組織サンプルの調査に際しては、外因性のラベルを付加することによって生体系を摂動させる他にさらに、細胞の大きな集合体の調査に関する問題が上記の測定法のスケーリングを阻害してきた。 Despite significant advances in microscopy, many techniques currently in use provide static images of cells. Imaging living cells opens up a new dimension of functional evaluation that allows timely acquisition of pathophysiological information from molecular movements within organelles and cells, which was not possible with static snapshots. . An example of the state-of-the-art probing intracellular dynamics uses fluorescence microscopy techniques to track either fluorescently transfected organelles or actively perturbed microinjected fluorescent particles within cells. I have the technology. In addition to perturbing the biological system by adding exogenous labels when investigating intact tissue samples in which heterogeneous cell populations are present, the problem of interrogating large populations of cells is the scaling of these assays. has hindered

従って、ここで開示する装置、システム及び方法は、種々の実施形態において生体モニタリング及び診断の分野における改善を含めた現在の技術を上回る改善を提供する。外因性のラベルは実用上の多くの障害を課す他にさらに、細胞又は組織を摂動させ、結果を変えてしまうおそれがあり得るが、ここで開示する手順により、かかる外因性のラベルを導入する必要なく、生きた細胞や組織の細胞構造/細胞内構造のモニタリングが容易になる。 Accordingly, the devices, systems and methods disclosed herein provide improvements over current technology, including improvements in the areas of biomonitoring and diagnostics in various embodiments. Exogenous labels pose many practical impediments and can also perturb cells or tissues and alter the outcome, and the procedures disclosed herein introduce such exogenous labels. It facilitates the monitoring of cellular/subcellular structures of living cells and tissues without need.

コヒーレンスゲーティングイメージング技術は、上記の制限の多くを克服する顕微鏡手法である。コヒーレンスゲーティングイメージング技術は、サンプル内の屈折率界面における組織反射率から画像コントラストを導出するので、ラベルを付加する必要が無い。しかし、細胞内の屈折率の僅かな変動だけでも微小な反射率変化を引き起こし、これを1つの画像の中で確認することは困難であるため、画像のコントラストが比較的低くなってしまう。複数の異なるサブセルラー区画の運動の差を利用することにより、時空間信号解析を用いて、例えばダイナミック・フルフィールド光コヒーレンストモグラフィ(FFOCT)等において細胞内部可視化を有意に強化することができる。FFOCTは、高パワーの顕微鏡対物レンズと低コヒーレンスの光干渉法とを利用して、所与の深度において自然本来の組織反射率の高解像度の横方向(アンファス)画像を取得する。細胞内活動により生じる時間依存の信号の標準偏差又は自己相関を計算することにより、アンファスの動的なFFOCT画像によって、静的画像では良く分からない細胞内特徴を明確に把握することができる。 Coherence-gating imaging techniques are microscopy techniques that overcome many of the above limitations. Coherence gating imaging techniques derive image contrast from tissue reflectance at refractive index interfaces within the sample, eliminating the need for additional labels. However, even a slight variation in the intracellular refractive index causes a small change in reflectance, which is difficult to see in one image, resulting in a relatively low image contrast. By exploiting the motion differences of different subcellular compartments, spatiotemporal signal analysis can be used to significantly enhance intracellular visualization, such as in dynamic full-field optical coherence tomography (FFOCT). FFOCT utilizes high power microscope objectives and low coherence optical interferometry to acquire high resolution lateral (Amphas) images of the natural native tissue reflectance at a given depth. By calculating the standard deviation or autocorrelation of the time-dependent signals generated by intracellular activity, Amphas dynamic FFOCT images can clearly capture intracellular features that are not well visible in static images.

ダイナミックFFOCTはラベルフリーの細胞イメージングの新規の方法を提供できるが、この技術は、横方向平面における画像取得に制限される。多くの重要な組織(例えば上皮組織等)は垂直方向に成熟し、この成熟プロセスにおける異常は疾患の理解や診断にとって致命的となるため、深度分解される横断面画像を得ることが遥かに望ましい。光コヒーレンストモグラフィ(OCT)は、組織の横断面画像を得ることができる解像度10μmのコヒーレンスゲートイメージング技術である。ダイナミックOCTはダイナミックFFOCTと同様、一定の時間にわたって同一箇所で撮影された横断面OCT画像の変化を測定する。ダイナミックOCTは、組織の生死状態、粘液の粘性、細胞移動、及びリモデリングに関する情報を提供することが分かっている。しかしながら、ダイナミックOCTは空間分解能が比較的低いため、個々の細胞の内部を見るためにダイナミックOCTを使用することはできない。 Although dynamic FFOCT can provide a novel method of label-free cellular imaging, this technique is limited to image acquisition in the lateral plane. Depth-resolved cross-sectional images are highly desirable because many important tissues (e.g., epithelial tissues) mature vertically, and abnormalities in this maturation process are critical to understanding and diagnosing disease. . Optical coherence tomography (OCT) is a 10 μm resolution coherence gate imaging technique that can obtain cross-sectional images of tissue. Dynamic OCT, like dynamic FFOCT, measures changes in cross-sectional OCT images taken at the same location over a period of time. Dynamic OCT has been shown to provide information on tissue viability, mucus viscosity, cell migration, and remodeling. However, dynamic OCT cannot be used to see inside individual cells due to its relatively low spatial resolution.

本願で開示するのは、ダイナミック・マイクロ光コヒーレンストモグラフィ(d-マイクロOCT)と称される新技術である。マイクロOCTは、約2×2μm(ラテラル)×1μm(アキシャル)あるいは約4×4μm(ラテラル)×2μm(アキシャル)の解像度を有する非常に高解像のOCTである。マイクロOCTは、これまでにない高精細度で細胞の横断面画像を可視化できることが分かった。d-マイクロOCTにより、細胞内運動により生じる時間的変動のパワー周波数解析を画素ごとに行うことによって、新規の顕微鏡的情報が得られたりコントラストが向上する。d-マイクロOCTは深度スキャンを優先するので、非常に幅広い(0~100,0~1000,0~10000,0~100000Hz)周波数範囲にわたってサブセルラーレベルの動的特性をプロービングできるという特異な点を有する。生検サンプル、スフェロイド、切除したマウス腫瘍組織等を用いてd-マイクロOCTにより得られる結果は、損傷の無い組織の深度分解された細胞内力学的特性と、生体医療科学の大きい影響力を持つ可能性のある能力を向上することを示した。 Disclosed herein is a new technique called dynamic micro optical coherence tomography (d-micro OCT). Micro-OCT is very high resolution OCT with a resolution of about 2×2 μm (lateral)×1 μm (axial) or about 4×4 μm (lateral)×2 μm (axial). It was found that micro-OCT can visualize cross-sectional images of cells with unprecedented high definition. d-Micro-OCT provides novel microscopic information and contrast enhancement by performing pixel-by-pixel power frequency analysis of temporal variations caused by intracellular movements. Because d-micro-OCT prioritizes depth scanning, it has the unique ability to probe subcellular-level dynamics over a very wide (0-100, 0-1000, 0-10000, 0-100000 Hz) frequency range. have. The results obtained by d-micro-OCT using biopsy samples, spheroids, resected mouse tumor tissue, etc. have profoundly resolved intracellular mechanical properties of intact tissue and biomedical sciences. Showed to improve potential abilities.

種々の実施形態では、本願明細書に開示された方法は、図1に示すマイクロOCT等のマイクロOCT装置を用いて実施することができる。OCTは、組織から弾性散乱した光の電界振幅を3つの次元で測定する。深度又はアキシャル(z)の測距は、サンプルから戻ってきた光の光学遅延の干渉測定によって行われる。種々の実施形態では、マイクロOCTはスペクトル領域OCT(SD-OCT)方式とすることができ、この方式は、あらゆる深度で散乱した光と参照とのスペクトル干渉を並行して検出し、その後にフーリエ解析を行うことによって、深度分解された散乱プロファイルを得るものである。特定の実施形態では、使用されるマイクロOCTシステム及びプローブが従来のOCT装置と異なる点は、非常に広帯域の光源(例えば800±150nmのレーザ生成スーパーコンティニューム光源)と、コモンパスの参照アームとを用いて、1μmの深度又はアキシャル(z)解像度を達成することである。高い横方向(x,y)解像度を達成するため、比較的高い開口数の対物レンズ(開口数=0.12)を使用してビームをサンプルに集束させた。プローブビームの焦点は、さらに環状アポダイザによって調整され、焦点サイズを2.4μmから2.0μmに縮小した。アポダイゼーション及び波長分散により焦点深度を約300μmに拡大して、上記の高い解像度の横方向イメージングを可能にした。さらに他の一実施形態では、マイクロOCTは、光周波数領域イメージング(OFDI)としても知られている掃引光源OCT(SS-OCT)方式とすることができる。この代替実施形態では、広帯域幅掃引光源レーザからの放射を、参照に当たる一部とサンプルに当たる他の一部とに分割する。そのスペクトル干渉パターンを1つ又は複数の検出器により検出してフーリエ変換することにより、深度分解された反射率プロファイルを得る。サンプル上においてビームを走査すると共に深度分解された反射率プロファイルを記録することにより、SS-OCT画像が作成される。大きな深度にわたって高いラテラル解像度を達成して深度分解又は横断面イメージングを容易にするためには、SD-OCTで用いられるものと同様の拡張焦点深度法(位相又は振幅アポダイゼーション、サブ回折多焦点投影法、アキシコンレンズ等)が用いられる。 In various embodiments, the methods disclosed herein can be performed using a micro-OCT device, such as the micro-OCT shown in FIG. OCT measures the electric field amplitude of light elastically scattered from tissue in three dimensions. Depth or axial (z) ranging is performed by interferometric measurements of the optical delay of light returning from the sample. In various embodiments, micro-OCT can be a spectral-domain OCT (SD-OCT) scheme, which detects the spectral interference of scattered light with a reference at all depths in parallel, followed by Fourier The analysis yields a depth-resolved scattering profile. In certain embodiments, the micro-OCT system and probes used differ from conventional OCT apparatus by incorporating a very broadband light source (e.g., a 800±150 nm laser-generated supercontinuum light source) and a common-path reference arm. to achieve 1 μm depth or axial (z) resolution. To achieve high lateral (x,y) resolution, a relatively high numerical aperture objective lens (numerical aperture=0.12) was used to focus the beam onto the sample. The probe beam focus was further adjusted by an annular apodizer to reduce the focal spot size from 2.4 μm to 2.0 μm. Apodization and wavelength dispersion extended the depth of focus to about 300 μm, enabling the high-resolution lateral imaging described above. In yet another embodiment, micro-OCT can be a swept-source OCT (SS-OCT) scheme, also known as optical frequency domain imaging (OFDI). In this alternative embodiment, the radiation from the broadband swept-source laser is split into a portion that falls on the reference and another portion that falls on the sample. The spectral interference pattern is detected by one or more detectors and Fourier transformed to obtain a depth-resolved reflectance profile. An SS-OCT image is created by scanning the beam over the sample and recording a depth-resolved reflectance profile. To achieve high lateral resolution over large depths to facilitate depth-resolved or transverse imaging, extended depth-of-focus methods similar to those used in SD-OCT (phase or amplitude apodization, sub-diffractive multifocal projection methods , axicon lens, etc.) are used.

図1は、スペクトル領域(SD)OCTイメージングコンソールと共通経路ベンチトッププローブとを備えたシステム例を示す。図1に示す具体的な実施形態では、スーパーコンティニューム光源(SuperK EXTREME、NKT Photonics社)を使用して50/50ビームスプリッタを照射した。光源光の半分は、スプリッタからベンチトッププローブに透過された。プローブから戻ってきた光は、中継して分光計に戻した。この分光計は、940ライン/mm体積の位相ホログラフィック透過回折格子(Wasatch Photonics社)と、多素子カメラレンズと、ラインスキャンカメラ(Basler Sprint、Basler社)とから構成されたものであり、2500カメラ画素を用いて、半値全幅800±150nmで全スペクトル範囲800±200nmを検出した。その結果、コヒーレンス長は1μm、組織内の測定深度は1.25mmであった。検出した信号を12ビットの分解能でデジタル変換し、カメラ接続ケーブルと画像取得ボード(PCIe6341、National Instruments社)を介して毎秒ライン数20,480(スペクトル)でコンピュータに伝送した。このラインレートでの最長のカメラ露出時間は48μsであった。ベンチトッププローブでは、光ビームは45°ロッドミラー(NT54-092、Edmund Optics社)により2つの波面に分割された。中央の円波面は参照アームに、環状波面はサンプルアームに伝送された。サンプルにおける光パワーは約15mWであった。参照アームにはサンプルアームと同一の光学系が備え付けられているので、分散は均衡状態となっていた。参照アームから後方反射された光とサンプルアームから後方散乱された光はロッドミラーを介して結合し戻され、シングルモードファイバ(SM600、Thorlabs社)によってコンソールに案内されて戻された。横方向(x,y)スキャンは、アナログ出力ボードによって駆動される一対のガルバノメータスキャナ(Thorlabs社)を用いて行われた。二次元データサイズは512×2500ボクセル(x,z)であり、対応する再構成された横断面画像サイズは1mm×1.25mm (x,z)であった。x方向のガルバノメータスキャナは、40Hzの鋸歯状スキャンパターン又は20.48Hzで増分するステップ状のスキャンパターンのいずれかで走査するものであった。1mmのラテラル方向範囲(y)に及ぶ512個の横断面平面で二次元データの時系列を取得することにより、三次元のマイクロOCTデータセットが得られる。 FIG. 1 shows an example system comprising a spectral domain (SD) OCT imaging console and a common path benchtop probe. In the specific embodiment shown in FIG. 1, a supercontinuum light source (SuperK EXTREME, NKT Photonics) was used to illuminate a 50/50 beam splitter. Half of the source light was transmitted through the splitter to the benchtop probe. Light returned from the probe was relayed back to the spectrometer. The spectrometer consisted of a 940 lines/mm volume phase holographic transmission grating (Wasatch Photonics), a multi-element camera lens and a linescan camera (Basler Sprint, Basler). The camera pixels were used to detect the full spectral range of 800±200 nm with a full width at half maximum of 800±150 nm. As a result, the coherence length was 1 μm and the measured depth in the tissue was 1.25 mm. The detected signal was digitally converted with 12-bit resolution and transmitted to a computer at 20,480 lines per second (spectrum) via a camera connection cable and an image acquisition board (PCIe6341, National Instruments). The longest camera exposure time at this line rate was 48 μs. In the benchtop probe, the light beam was split into two wavefronts by a 45° rod mirror (NT54-092, Edmund Optics). The central circular wavefront was transmitted to the reference arm and the circular wavefront to the sample arm. The optical power at the sample was approximately 15 mW. Since the reference arm was equipped with the same optics as the sample arm, the dispersion was balanced. Light backreflected from the reference arm and light backscattered from the sample arm were coupled back through a rod mirror and guided back to the console by a single mode fiber (SM600, Thorlabs). Lateral (x,y) scans were performed using a pair of galvanometer scanners (Thorlabs) driven by an analog output board. The two-dimensional data size was 512×2500 voxels (x,z) and the corresponding reconstructed cross-sectional image size was 1 mm×1.25 mm (x,z). The x-direction galvanometric scanner scanned with either a sawtooth scan pattern at 40 Hz or a stepped scan pattern with 20.48 Hz increments. A three-dimensional micro-OCT dataset is obtained by acquiring time series of two-dimensional data at 512 cross-sectional planes spanning a lateral extent (y) of 1 mm.

よって、特定の実施形態では、生体組織から画像データ及び機能データを得るための装置が提供される。装置は、撮像平面に沿って、生体組織が参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得するための干渉計を備えることができる。装置はさらに、干渉計から干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサを備えることができる。プロセッサは種々のステップを実施するように構成することができ、このステップには、干渉情報を処理して撮像平面に沿った生体組織の形態画像又は位相画像を生成するステップと、生体組織の力学的機能により引き起こされた干渉情報の時間変調から周波数情報を求めるステップと、生体組織の力学的機能を空間的にマッピングするレポート又は画像を生成するステップと、が含まれる。このレポート又は画像は、形態画像と組み合わせることができる。 Thus, in certain embodiments, an apparatus is provided for obtaining image data and functional data from biological tissue. The apparatus may comprise an interferometer for obtaining interferometric information based on radiation provided by interference of living tissue with a reference along an imaging plane. The apparatus can further comprise a processor configured to receive interference information from the interferometer. The processor can be configured to perform various steps, including processing the interferometric information to produce a morphological or phase image of the tissue along the imaging plane; determining frequency information from the temporal modulation of the interference information caused by the physical function; and generating a report or image that spatially maps the mechanical function of the living tissue. This report or image can be combined with the morphological image.

種々の実施形態では、プロセッサはさらに、生体サンプルの力学的機能によって引き起こされた干渉情報の時間的変動を特定するようにすることができる。他の実施形態では、プロセッサはさらに、生体サンプルの細胞内運動により生じた変動を特定するために時間的変動のパワー周波数解析を行うように構成することができる。さらに他の実施形態では、プロセッサはさらに、前記パワー周波数解析を画素ごとに行うように構成することができる。さらに他の実施形態では、プロセッサはさらに、複数の縦断的調査にわたって生体組織の力学的機能を追跡するように構成することができる。さらに他の実施形態では、縦断的調査は、生体組織への薬物送達を含むことができる。さらに他の実施形態では、薬物は化学療法薬物とすることができる。他の実施形態では、干渉計はマイクロOCTシステムの一部とすることができる。さらに他の実施形態では、干渉情報の解像度を少なくともラテラル方向に2μm×2μm又はアキシャル方向に1μmとすることができる。さらに他の一実施形態では、干渉情報の解像度を少なくともラテラル方向に4μm×4μm又はアキシャル方向(深度)に2μmとすることができる。特定の実施形態では、生体組織は生体内組織とすることができ、他の実施形態では、組織は生体外組織又はインビトロの三次元細胞培養とすることができる。一部の実施形態では、干渉情報を処理して撮像平面に沿った生体組織の形態画像を生成することは、運動アーティファクトを補償するステップをさらに含むことができ、この補償ステップには、マイクロOCTフレーム中の画素の強度値又は位相値に局所正規化及びフィルタ処理を施して処理済みフレームを生成し、参照フレームを用いて又は用いずに前記各処理済みフレームについてアンワーピング変換マトリクス(例えば弾性アンワーピング等)を計算し、この変換マトリクスを前記マイクロOCTフレームに適用することが含まれる。 In various embodiments, the processor can further be adapted to identify temporal variations in interference information caused by mechanical functions of the biological sample. In other embodiments, the processor can be further configured to perform power frequency analysis of temporal variations to identify variations caused by intracellular motion of the biological sample. In still other embodiments, the processor can be further configured to perform said power frequency analysis on a pixel-by-pixel basis. In still other embodiments, the processor can be further configured to track the mechanical function of the living tissue over multiple longitudinal studies. In still other embodiments, longitudinal studies can include drug delivery to living tissue. In still other embodiments, the drug can be a chemotherapeutic drug. In other embodiments, the interferometer can be part of a micro-OCT system. In still other embodiments, the resolution of the interferometric information can be at least 2 μm×2 μm laterally or 1 μm axially. In yet another embodiment, the resolution of the interferometric information can be at least 4 μm×4 μm laterally or 2 μm axially (depth). In certain embodiments, the living tissue can be an in vivo tissue, while in other embodiments the tissue can be an ex vivo tissue or an in vitro three-dimensional cell culture. In some embodiments, processing the interferometric information to generate a morphological image of the anatomy along the imaging plane can further include compensating for motion artifacts, the compensating step comprising micro-OCT Applying local normalization and filtering to the intensity or phase values of pixels in a frame to generate processed frames, and unwarping transformation matrices (e.g., elastic unwarping) for each of said processed frames with or without a reference frame. warping, etc.) and applying this transformation matrix to the micro-OCT frames.

PCA次元削減及び機械学習
種々の実施形態では、生体組織から画像データ及び機能データを得るための方法が提供される。方法は種々のステップを含むことができ、このステップには、撮像平面に沿って、生体組織が参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得することと、干渉情報を処理して撮像平面に沿った生体組織の形態画像を生成することと、生体組織の力学的機能により引き起こされた干渉情報の時間変調から周波数情報を求めることと、生体組織の力学的機能を形態画像と空間的にマッピングするレポートを生成することと、が含まれる。
PCA Dimension Reduction and Machine Learning In various embodiments, methods are provided for obtaining image and functional data from living tissue. The method can include various steps, including obtaining interference information based on radiation provided by the interference of living tissue with a reference along an imaging plane, and processing the interference information. to generate a morphological image of the biological tissue along the imaging plane, obtain frequency information from the time modulation of the interference information caused by the mechanical function of the biological tissue, and combine the mechanical function of the biological tissue with the morphological image. generating a spatially mapping report.

本願明細書に開示された種々の実施形態では、マイクロOCTビデオで発見された時間的変動のスペクトル解析(例えばパワースペクトル、標準偏差、分散、フーリエエントロピー等)を用いて、組織全体の横断面細胞力学的特性を調査できるデータを生成した。スペクトルデータを適切にビニング処理して擬似カラーコンポジット画像を生成することにより、本願開示の方法が、いかなる外因性のラベル付与も必要とせずに横断面撮像平面で細胞/サブセルラーレベルの特徴を描出して組織における細胞内力学的特性を特徴付ける我々の能力を向上させることが判明した。この結果は、基底層から表層の上皮層までの横断面のサブセルラーレベルの構造と、これに付随する細胞力学的特性及び活動の変動とを調査するd-マイクロOCTの能力を際立たせることにもなる。細胞成熟パターンや構造成熟パターンの深度依存性の変化は、異形成や癌を含めた多くの上皮疾患の診断において致命的となるため、上記の能力の意義は高い。 Various embodiments disclosed herein use spectral analysis (e.g., power spectrum, standard deviation, variance, Fourier entropy, etc.) of temporal variations found in micro-OCT videos to generate cross-sectional cellular Data were generated that allowed investigation of mechanical properties. By appropriately binning the spectral data to produce a pseudo-color composite image, the disclosed method delineates cellular/sub-cellular level features in the transverse imaging plane without the need for any exogenous labeling. have been found to enhance our ability to characterize intracellular mechanical properties in tissues. This result highlights the ability of d-micro-OCT to investigate cross-sectional subcellular structures from the basal to superficial epithelial layers and the associated variations in cytomechanical properties and activity. will also become The above ability is of great significance because depth-dependent changes in cell and structural maturation patterns are fatal in the diagnosis of many epithelial diseases, including dysplasia and cancer.

特定の実施形態では、d-マイクロOCTは、培養培地において生存状態に維持される切除直後の生検サンプルで使用される。かかる生検から得られる画像は、サブセルラーレベルで組織学的像とレジストレーションするのが困難であるため、サブセルラーレベルの挙動の読影の中には予備的に使用されるものもある。この技術により測定される細胞運動の力学的起源については、学ぶべきことも多い。文献には、上記の力学的変動はランダムではあるものの、熱駆動されるブラウン運動とは明確に異なるものであるとの考えを裏付けるエビデンスが存在する。上記の力学的変動はブラウン運動ではなく、生体力学的作用の中でも細胞運動性を組み立てる(orchestrate)ATP依存のランダムな力の集合の結果である。さらに、細胞内力学的特性と、その基礎となる生理学的及び病態生理学的条件との関係の理解の向上を実現する必要もある。主にインビトロ・モデルを用いた多数の研究において、細胞内力学的特性の起源が調査されている。かかる研究の中には、小器官輸送及び細胞運動性において動的信号と収縮したタンパク質線維とを関係付けたものがあり、これは医薬品により転形したものであることが分かった。この結果は、プロービング対象の力学的挙動の生理学的起源を利用して、病態や、処置に対する病態の反応を知らせることができることを示唆している。3つの次元全てにおいて高い解像度であるため、d-マイクロOCTは上記の調査を行うために非常に適している。しかし、d-マイクロOCTが提供する情報の利用価値を完全に理解するためには、具体的な細胞内分子運動依存のメカニズムの特定/調整によって種々の状態における種々の組織種類/細胞種類のより多くの研究が必要である。 In certain embodiments, d-micro OCT is used on freshly excised biopsy samples that are kept viable in culture medium. Images from such biopsies are difficult to register with histological images at the subcellular level, so some interpretation of behavior at the subcellular level is used preliminarily. Much remains to be learned about the mechanical origins of cell motility measured by this technique. There is evidence in the literature to support the idea that the dynamical perturbations described above, although random, are distinct from thermally driven Brownian motion. The dynamic perturbations described above are not Brownian motion, but are the result of ATP-dependent random force assembly that orchestrate cell motility among other biomechanical processes. In addition, there is also a need to achieve an improved understanding of the relationship between intracellular mechanical properties and their underlying physiological and pathophysiological conditions. Numerous studies, mostly using in vitro models, have investigated the origin of intracellular mechanical properties. Some of these studies have implicated dynamic signals in organelle trafficking and cell motility with contracted protein filaments, which have been shown to be transmuted by pharmaceutical agents. This result suggests that the physiological origin of the mechanical behavior of the probed subject can be exploited to inform disease state and its response to treatment. Due to its high resolution in all three dimensions, d-micro-OCT is well suited for conducting the above investigations. However, to fully understand the utility of the information provided by d-micro-OCT, the identification/tuning of specific intracellular molecular motion-dependent mechanisms will be necessary to better understand different tissue/cell types in different conditions. Much research is needed.

損傷の無い組織はd-マイクロOCTの優れた基質ではあるが、本願開示の手順の実施形態は、とりわけ二次元細胞培養、三次元細胞培養、スフェロイド、オーガノイド、及び臓器チップを含めた他の追加的なアッセイにおいても優れた有用性を有し得る。細胞生死状態アッセイとしてのd-マイクロOCTの利点は、死細胞染色処理や細胞種類のキャラクタリゼーションのためにサンプルを破壊することなく、このプラットフォームで細胞の代謝状態又は病態生理学的状態を特定できることである。このようなd-マイクロOCTの使用法は、現在開発中の多細胞アッセイの有効性を改善し得る。 While intact tissue is an excellent substrate for d-micro-OCT, embodiments of the disclosed procedures are suitable for other additions including 2D cell cultures, 3D cell cultures, spheroids, organoids, and organ chips, among others. It may also have excellent utility in analytical assays. The advantage of d-microOCT as a cell viability assay is that the platform can identify the metabolic or pathophysiological state of cells without sample destruction for dead cell staining or cell type characterization. be. Such use of d-micro-OCT may improve the efficacy of multi-cell assays currently under development.

d-マイクロOCTの他の一用途は、生体内での実施である。現在、生きた人間の患者の鼻腔内でマイクロOCTを用いたところ、線毛及び粘液の力学的特性を調べることができる特異な能力を示した。d-マイクロOCTは、撮像期間が長くなると(数秒)、その間に患者をサブセルラーレベルで安定化する必要があるため、生体内での実施がより困難になる。この問題は組織とマイクロOCTプローブとを密着して結合する等の技術によって解消することができ、高い細胞コントラストと、機能的に通知される光生検とを達成する新たなラベルフリーの選択肢が開拓される。 Another application of d-micro-OCT is in vivo implementation. Presently, the use of micro-OCT within the nasal cavity of living human patients has demonstrated the unique ability to study the mechanical properties of cilia and mucus. d-Micro-OCT becomes more difficult to perform in vivo due to the longer imaging duration (several seconds) during which the patient must be stabilized at the subcellular level. This problem can be overcome by techniques such as intimate coupling of tissue and micro-OCT probes, opening up new label-free options for achieving high cellular contrast and functionally informed optical biopsies. be done.

以下で、種々の実施形態を実施するための材料及び手順について、結果例の説明と共に説明する。 Materials and procedures for practicing various embodiments are described below, along with descriptions of example results.

組織の前処理及び撮像
特定の実施形態では、人間の上部胃腸生検及び頸部生検を調査参加者から取得した。各生検を切除直後に細胞培養培地に浸漬して組織生死状態を保存した。d-マイクロOCT撮像の準備において、上記の生検をスライドガラス上に載置し、鏡面反射を回避するため、二軸ゴニオメータを用いて組織の内腔側を撮像ビームに対して傾けた。撮像は全て常温(25℃)で行い、必要に応じて、撮像セッションにわたって組織に少量の細胞培養培地を追加することにより、サンプルを湿潤状態に維持した。サンプルを十分な湿潤状態に維持するように手を尽くしたにもかかわらず、画像のリアルタイム表示において水分蒸発による画像アーティファクトが目立つ場合があり、特に生検サンプルが小さい場合に目立つことがあった。そこで、特定のサンプルは組織の内腔側をスライドガラスに接触させて実施し、撮像中の水分損失が最小限になるようにした。d-マイクロOCT撮像後、撮像した領域をホルマリンで固定する前に色素で標識を付した。その後、このサンプルを処理して、d-マイクロOCTによって撮像した領域に対応する5μm厚のヘマトキシリン及びエオジン(HE)染色された組織スライドを得た。
Tissue Preparation and Imaging In certain embodiments, human upper gastrointestinal and neck biopsies were obtained from study participants. Each biopsy was immersed in cell culture medium immediately after excision to preserve tissue viability. In preparation for d-micro-OCT imaging, the biopsies were mounted on glass slides and the luminal side of the tissue was tilted with respect to the imaging beam using a dual-axis goniometer to avoid specular reflections. All imaging was performed at ambient temperature (25° C.), and samples were kept moist by adding small amounts of cell culture medium to the tissue throughout the imaging session, if necessary. Despite all efforts to keep the sample well wet, image artifacts due to water evaporation were sometimes noticeable in the real-time display of the images, especially when the biopsy samples were small. Therefore, certain samples were run with the luminal side of the tissue in contact with the glass slide to minimize water loss during imaging. After d-micro-OCT imaging, the imaged areas were labeled with dye before being fixed with formalin. The samples were then processed to obtain 5 μm thick hematoxylin and eosin (HE) stained tissue slides corresponding to the areas imaged by d-micro-OCT.

高い空間分解能及び時間分解能のダイナミック・マイクロOCTイメージングを提供する実施形態
本願の種々の実施形態では、横断面平面においてサブセルラーレベルの力学的特性をプロービングするシステム及び方法が提供される。かかる横断面イメージングシステムは、アキシャル解像度が2μm未満かつラテラル解像度が5μm未満の解像度を有することができる。方法は、一定の時間にわたって複数の画像、領域、ライン、又は点を取得することを含むことができる。パワースペクトル密度測定は、画像内の各画素ごとに行うことができる。実施形態例には、画像の全ての画素での時間周波数解析(例えば短時間フーリエ変換、ウィグナー変換、ウェーブレット変換等)又は画像の各画素全てにおけるパワースペクトル推定技術(例えばウェルチ法等)、又は局所的に一定の時間にわたる周波数情報を計算する他の手法が含まれる。代替的な一実施形態は、周波数スペクトルのエントロピーを求めること、又は信号の周波数成分を数値化するための他の手法である。
Embodiments Providing High Spatial and Temporal Resolution Dynamic Micro-OCT Imaging Various embodiments of the present application provide systems and methods for probing mechanical properties at the subcellular level in the transverse plane. Such a cross-sectional imaging system can have an axial resolution of less than 2 μm and a lateral resolution of less than 5 μm. The method can include acquiring multiple images, regions, lines, or points over time. A power spectral density measurement can be made for each pixel in the image. Example embodiments include time-frequency analysis (e.g., short-time Fourier transform, Wigner transform, wavelet transform, etc.) at every pixel of an image, or power spectrum estimation techniques (e.g., Welch's method, etc.) at every pixel of an image, or local Other techniques are included to compute frequency information over a period of time. An alternative embodiment is determining the entropy of the frequency spectrum or other technique for quantifying the frequency content of the signal.

2つのビーム走査実施形態を開示する。1つの方式は、最大でガルバノメータミラーのスキャンレートの半分のレートで周波数成分をプロービングできるものであり、一実施形態では、このレートは約1~40Hzの範囲に及ぶ。他の一実施形態では、ミラーが1つのスポットで停止し、Aラインレートでデータを取得する。このAラインレートは一事例では約1~20kHzであり、代替的に約1kHz~3MHzとすることができる。 Two beam scanning embodiments are disclosed. One scheme can probe the frequency components at a rate up to half the scan rate of the galvanometer mirror, which in one embodiment ranges from about 1-40 Hz. In another embodiment, the mirror stops at one spot and acquires data at the A-line rate. This A-line rate is about 1-20 kHz in one example, and can alternatively be about 1 kHz-3 MHz.

顕微鏡検査、データ取得及びデータ処理
ベンチトップ型マイクロOCTシステム顕微鏡を用いて、2×2μm(ラテラル)×1μm(アキシャル)の解像度で損傷の無い組織の横断面画像を深度300μmまでで提供した。20.48kHzのAライン(深度依存の反射率プロファイル)レートを用いて撮像を行い、ガルバノメータミラーを用いてサンプル上においてビームを走査することにより1mmのラテラルスキャンを達成した。画素ごとの標準偏差近似に基づいて画像コントラストをリアルタイム表示できる特注で記述されたデータ取得プログラムを用いることにより、組織サンプルの生存部分の特定を容易化した。それぞれ異なる周波数範囲の力学的特性をプロービングする2つの異なった撮像方式を用いて、d-マイクロOCT画像を得た。第1の手法はマルチスキャン(MS)d-マイクロOCTというものであり、一定の期間にわたってガルバノメータスキャンレートにより定まる周波数で関心領域をラテラル方向に撮像ビームを繰り返し走査することを含むものであった。 最大20Hzの周波数をプロービングするため、典型的には25sの持続時間にわたって、1mmの関心領域を40Hzで撮像ビームを繰り返し走査した(エイリアシング現象を回避するため)。これにより、同一箇所の1000個の横断面画像が得られ、これらの各横断面画像は512個のAラインにより構成されるものであった。第2の撮像方式はシングルスキャン(SS)d-マイクロOCTというものであり、ラテラル方向の関心範囲にわたって撮像ビームをステップ状に横断させ、等間隔の位置で都度停止し、Aラインレートにより定まるレートでAラインの系列を取得する、というものであった。撮像対象の関心領域を第1の方式と一致させるためには、1mmの範囲にわたって20.48KHzで512個の離散位置において1000個のAラインを取得するために25s(すなわち、先のスキャン方式と等しい時間量)が必要である。SSd-マイクロOCTは、周波数分解能は低くなるが、第1の方式より2桁高い細胞ダイナミクスをプロービングすることができる。より長い期間の時間的データを取得することにより、より高い周波数分解能を達成することができる。最大10.24kHzの周波数をプロービングするため、同じ1mmのラテラル方向範囲にわたって撮像ビームをステップ状に横断させ、512個の等間隔の位置で停止し、20.48kHzのレートで1000個のAラインを取得した。上記のスキャン手順は両方とも、完了までに同じ時間量(25s)がかかった。種々の実施形態では、0Hz~50Hzの範囲で時点に基づき周波数をプロービングして、最大100Hzのサンプル内の各箇所又は各部分領域(例えば各画素及び/又は各ボクセル)において収集した。全般に、エイリアシング現象を回避するため、収集されるデータの周波数の半分で周波数をプロービングした。
Microscopy, Data Acquisition and Data Processing A benchtop micro-OCT system microscope was used to provide cross-sectional images of intact tissue at a resolution of 2 x 2 μm (lateral) x 1 μm (axial) to a depth of 300 μm. Imaging was performed using an A-line (depth dependent reflectance profile) rate of 20.48 kHz and a 1 mm lateral scan was achieved by scanning the beam over the sample using a galvanometer mirror. Identification of viable portions of tissue samples was facilitated by using a custom-written data acquisition program capable of real-time display of image contrast based on pixel-by-pixel standard deviation approximations. d-Micro OCT images were obtained using two different imaging modalities, each probing the mechanical properties in different frequency ranges. The first approach, called multi-scan (MS) d-micro OCT, involved repetitive scanning of an imaging beam laterally over a region of interest at a frequency determined by the galvanometer scan rate over a period of time. To probe frequencies up to 20 Hz, the imaging beam was repeatedly scanned at 40 Hz over a 1 mm region of interest, typically for a duration of 25 s (to avoid aliasing phenomena). This resulted in 1000 cross-sectional images of the same location, each of which consisted of 512 A-lines. A second imaging modality, called single-scan (SS) d-micro OCT, traverses the imaging beam in steps over the lateral range of interest, stopping at equally spaced positions each time, with a rate determined by the A-line rate. It was to acquire the series of the A line with. To match the region of interest of the imaged object with the first scheme, it took 25 s to acquire 1000 A-lines at 512 discrete positions at 20.48 KHz over a range of 1 mm (i.e., with the previous scan scheme an equal amount of time). SSd-microOCT can probe cell dynamics two orders of magnitude higher than the first scheme, although with lower frequency resolution. By acquiring temporal data over a longer period of time, higher frequency resolution can be achieved. To probe frequencies up to 10.24 kHz, the imaging beam was stepped across the same 1 mm lateral range, stopped at 512 equally spaced positions, and 1000 A-lines were scanned at a rate of 20.48 kHz. Acquired. Both of the above scanning procedures took the same amount of time (25 s) to complete. In various embodiments, frequency was probed based on time points in the range 0 Hz to 50 Hz and collected at each location or sub-region (eg, each pixel and/or each voxel) within a sample up to 100 Hz. In general, frequencies were probed at half the frequency of the data collected to avoid aliasing phenomena.

いずれの撮像方式においても、時間に対するマイクロOCT信号強度の変動を横断面画像の各画素全てにおいて解析した。さらに他の一実施形態では、隣接画素を処理して平均をとることにより、ノイズを低減することができる。変動はエルゴード過程であると仮定して、ウェルチ法を用いて短時間フーリエ変換(STFT)を行うことにより、マイクロOCTデータセットの各画素ごとに推定パワースペクトルが得られた。この手法では、時間依存性データを、その全体ではなく、より短いセグメントで解析した。 In any imaging method, the variation of the micro-OCT signal intensity with respect to time was analyzed for each pixel of the cross-sectional image. In yet another embodiment, noise can be reduced by processing and averaging adjacent pixels. An estimated power spectrum was obtained for each pixel of the micro-OCT dataset by performing a short-time Fourier transform (STFT) using Welch's method, assuming that the fluctuations are ergodic processes. In this approach, time-dependent data were analyzed in shorter segments rather than in their entirety.

d-マイクロOCT撮像時間は合理的な短さ(25s)であったにもかかわらず、第1のビーム走査方式を実施した組織の画像には、数十マイクロメータのオーダで空間依存の非線形の動きドリフトが生じてしまった。組織運動は蒸発及び/又は熱膨張を原因とすると考えられ、撮像中に組織沈殿を生じさせる。このような動きアーティファクトを補償するため、マイクロOCTフレームに局所正規化及びガウシアンフィルタ処理を施した。この処理済みフレームから、中心のフレーム(500)を参照として弾性アンワーピング変換マトリクスを計算した。その後、この変換マトリクスを元のマイクロOCTデータに適用した。次に、変動がエルゴード過程であると仮定して、ウェルチ法による短時間フーリエ変換を行うことにより、マイクロOCTデータセットの各画素の推定パワースペクトルが得られた。この手法により、時間依存性データを、その全体ではなく、より短いセグメントで解析した。全時間的データのうち長さでそれぞれ1/5(L=500)ごとの複数のセグメントであって、それぞれ次のセグメントとのオーバーラップが50%のセグメントを処理することにより、複数の修正されたピリオドグラムIが導出された。特定の長さの記録されたデータの場合、各セグメントの長さとオーバーラップの量とが、得られるスペクトル分解能及び推定パワースペクトル密度

Figure 2023520579000002
の分散を決定した。最初に、平均減算された各セグメントにハニング窓wを適用してから、その後にゼロパディング処理して要素数512のアレイSx,yを得る処理ステップを使用した。次に、各セグメントに離散フーリエ変換(DFT)を適用し、得られた結果の平均をとって当該各画素におけるパワースペクトルを得た。横断面平面において各画素ごとに上記処理を行うことにより、M=256個の等間隔の周波数ビン(fx,y)を有するハイパースペクトルデータセットが得られた。
Figure 2023520579000003
Figure 2023520579000004
Despite the reasonably short d-micro-OCT imaging time (25 s), images of tissue subjected to the first beam scanning scheme showed spatially dependent nonlinearity on the order of tens of micrometers. Motion drift has occurred. Tissue motion is thought to be due to evaporation and/or thermal expansion, resulting in tissue precipitation during imaging. To compensate for such motion artifacts, micro-OCT frames were subjected to local normalization and Gaussian filtering. From this processed frame, the elastic unwarping transformation matrix was calculated with reference to the center frame (500). This transformation matrix was then applied to the original micro-OCT data. An estimated power spectrum of each pixel in the micro-OCT dataset was then obtained by performing a short-time Fourier transform with Welch's method, assuming that the fluctuations are ergodic processes. With this approach, time-dependent data were analyzed in shorter segments rather than in their entirety. By processing a plurality of segments each ⅕ (L=500) in length of the total temporal data, each having a 50% overlap with the next segment, a plurality of corrected The periodogram Ik was derived. For a given length of recorded data, the length of each segment and the amount of overlap are the resulting spectral resolution and the estimated power spectral density.
Figure 2023520579000002
We determined the variance of First, a processing step was used that applied a Hanning window w to each average-subtracted segment, followed by zero padding to obtain a 512-element array S x,y . A Discrete Fourier Transform (DFT) was then applied to each segment and the results obtained were averaged to obtain the power spectrum at each pixel of interest. Performing the above processing for each pixel in the cross-sectional plane resulted in a hyperspectral data set with M=256 equally spaced frequency bins (f x,y ).
Figure 2023520579000003
Figure 2023520579000004

上記のデータ取得パラメータに基づいて、9つの平均値から推定パワースペクトルを計算し、この等価的なファクタによって、推定パワースペクトルの分散が効果的に低減した。

Figure 2023520579000005
Based on the above data acquisition parameters, the estimated power spectrum was calculated from the nine averages, and this equivalent factor effectively reduced the variance of the estimated power spectrum.
Figure 2023520579000005

いずれの撮像方式においても、得られた時間依存性データに同様の処理法を適用して、0~20Hz又は0 ~10.24kHzのいずれかの範囲の256個の等間隔の周波数ビンが得られた。後者の撮像方式では、周波数分解能が低くなるが、前者の撮像方式より2桁高い細胞ダイナミクスのプロービングが可能になった。 For both imaging schemes, similar processing was applied to the resulting time-dependent data to yield 256 equally spaced frequency bins ranging either from 0 to 20 Hz or from 0 to 10.24 kHz. rice field. Although the latter imaging method has lower frequency resolution, it enables probing of cell dynamics that is two orders of magnitude higher than the former imaging method.

組織内の優位な変動周波数の分布を直接可視化できるようにするため、

Figure 2023520579000006
はさらに3つの周波数範囲にビニングされ、それぞれにRGB画像においてカラーチャネル(例えば、赤色:0~0.08Hz、青色:0.55~0.78Hz、緑色:4.00~20.00Hz等)を割り当てて、最終的なd-マイクロOCT画像表現を作成した。特定の実施形態では、組織のサブセルラーレベルの特徴及び細胞の特徴が際立つように周波数範囲カラー割り当てを経験的に選択し、これにより周波数カラー割り当ては各サンプルの間で変わる。ここに提示した全てのマイクロOCT画像及びd-マイクロOCT画像は、正確な表現を保証し、対応する組織学的像との対比を容易にするため、組織屈折率を1.4と仮定して、等方性の画素アスペクト比を達成するためにスケーリングされている。画像再フォーマット及び解析はすべて、ImageJ及びMatlab(Mathworks Inc.)を用いて行った。 In order to be able to directly visualize the distribution of dominant fluctuation frequencies in the tissue,
Figure 2023520579000006
is further binned into three frequency ranges, each with a color channel (e.g., red: 0-0.08 Hz, blue: 0.55-0.78 Hz, green: 4.00-20.00 Hz, etc.) in the RGB image. assigned to create the final d-micro OCT image representation. In certain embodiments, frequency range color assignments are empirically selected to accentuate sub-cellular and cellular features of tissue, whereby frequency color assignments vary between samples. All micro-OCT and d-micro-OCT images presented here assume a tissue refractive index of 1.4 to ensure accurate representation and facilitate comparison with corresponding histological images. , has been scaled to achieve an isotropic pixel aspect ratio. All image reformatting and analysis were performed using ImageJ and Matlab (Mathworks Inc.).

種々の実施形態では、変動周波数情報は、任意の数のサブグループ(例えば2~10以上のサブグループ等)にビニング又は分割することができ、各サブグループを、(例えば図2(B)に示すように)組織のマップ上で異なって表示することができる。異なった生体構造の描出を行える異なる周波数範囲の数は、d-マイクロOCT画像を描出するために使用される周波数ビンの数を選択する際に重要な検討事項となる。周波数ビンは、パワースペクトルの極大値又はパワースペクトルのパターンに基づくこともできる。また、周波数を時空間解析することも可能であり、例えば、核における1つの周波数パターン又はピークが、当該核の隣又は当該核から遠隔又は細胞若しくは小器官の膜に存在する同じ周波数パターンとは異なる生物学的意味を有することがあり得る。 In various embodiments, the fluctuating frequency information can be binned or divided into any number of subgroups (eg, from 2 to 10 or more subgroups, etc.), with each subgroup represented by can be displayed differently on the organization's map (as shown). The number of different frequency ranges in which different anatomy can be visualized is an important consideration in choosing the number of frequency bins used to visualize d-micro OCT images. The frequency bins can also be based on power spectral maxima or power spectral patterns. Spatiotemporal analysis of frequencies is also possible, e.g., one frequency pattern or peak in a nucleus is next to or remote from that nucleus, or the same frequency pattern present in the membrane of a cell or organelle. They can have different biological meanings.

周波数範囲のサブグループ又はピークの同一性及び最大数、並びに最も意味のある周波数範囲又はピークは、主成分分析(PCA)、カーネルPCA、線形判別分析、一般判別分析、UMAP、又はt-SNE等の次元削減技術を用いて決定することができる。例えばパワースペクトルの分散の大半(例えば80%又は90%)を表す主成分に相当する各主成分画像は、画像において異なる運動域を示す異なる周波数パターンにそれぞれ対応することができる。上記にて説明したカラー画像のR,G,Bチャネルに対応する周波数ビンを用いる場合と同様に、PCA主成分重み画像を使用して多色画像を作成することも可能である。他の次元削減手法でも、同様のアプローチを用いて多次元画像を作成することができる。 Identity and maximum number of frequency range subgroups or peaks, and the most meaningful frequency range or peak can be determined by principal component analysis (PCA), kernel PCA, linear discriminant analysis, generalized discriminant analysis, UMAP, or t-SNE, etc. can be determined using the dimensionality reduction technique of For example, each principal component image, corresponding to principal components representing the majority (eg, 80% or 90%) of the power spectrum variance, may correspond to different frequency patterns representing different regions of motion in the image. Similar to the use of frequency bins corresponding to the R, G, and B channels of a color image as described above, it is also possible to create a multicolor image using PCA principal component weighted images. Other dimensionality reduction techniques can also create multi-dimensional images using a similar approach.

画像レジストレーション
d-マイクロOCT処理のためのスペクトル解析は画素ごとに行われるので、画像取得中に生じたバルク運動又は細胞内部や膜変動運動に関連しない運動を補正しなければならない。面内バルク運動アーティファクトを必要に応じて補正するため、画像レジストレーションアルゴリズムを適用した。連続する画像フレーム間で二次元相互相関を行うことにより、画像のレジストレーション処理に必要なラテラル方向シフトの量を測定した。バルク運動補正を行った後、アフィン変換による局所的アンワーピングを行うことにより、運動補正をさらにリファインメント処理することができる。
Image Registration Since the spectral analysis for d-micro-OCT processing is performed pixel by pixel, motion unrelated to bulk motion or intracellular or membrane perturbation motions occurring during image acquisition must be corrected. An image registration algorithm was applied to correct for in-plane bulk motion artifacts as needed. The amount of lateral shift required for the image registration process was measured by performing a two-dimensional cross-correlation between consecutive image frames. After performing the bulk motion correction, the motion correction can be further refined by performing local unwarping with an affine transformation.

減衰補正
マイクロOCT強度の深度依存性の減衰は光軸に沿って生じ、表面下の情報をノイズレベルまで徐々に下げていく。画像後処理において減衰補正を行い深度に沿ってマイクロOCT信号を増幅するためのアルゴリズムを開発した。このような深度依存補正のためのアルゴリズムには、指数関数フィッティング、リスライシング→画像正規化又は等化処理→リスライシング、又は時間ゲイン若しくは深度ゲイン適応補償が含まれる。
Attenuation Correction A depth-dependent attenuation of the micro-OCT intensity occurs along the optical axis, gradually reducing the subsurface information down to the noise level. An algorithm was developed to amplify the micro-OCT signal along depth with attenuation correction in image post-processing. Algorithms for such depth dependent correction include exponential fitting, reslicing→image normalization or equalization processing→reslicing, or time gain or depth gain adaptive compensation.

横断面画像の画素ごとにパワースペクトルを計算する前に、必要に応じて画像レジストレーション及び減衰補正を行った。 Image registration and attenuation correction were performed, if necessary, before the power spectrum was calculated for each pixel of the cross-sectional image.

スペクトル情報を複数の周波数範囲にビニングし、その結果をカラーコーディングして擬似カラーコンポジットを作成する。これにより、静止マイクロOCT画像では識別できなかった細胞構造の可視化が容易になる。 The spectral information is binned into multiple frequency ranges and the results are color coded to create a pseudocolor composite. This facilitates visualization of cellular structures that could not be discerned in static micro-OCT images.

画像レジストレーションは、取得シーケンス中に検体の運動を補正して結果の品質を改善する方法に追加される他の一実施形態である。 Image registration is another embodiment in addition to methods that correct for specimen motion during an acquisition sequence to improve the quality of results.

光軸に沿ったマイクロOCT信号の減衰補正は、その上にある光学的特性に起因して生じる強度変動を補正することにより結果の品質を改善する他の一実施形態である。 Attenuation correction of the micro-OCT signal along the optical axis is another embodiment that improves the quality of results by correcting for intensity fluctuations caused by overlying optical properties.

データ取得中に、リアルタイムの移動標準偏差推定を行って、サンプルにおいて細胞力学的特性の変動を示す生存領域を特定した。 During data acquisition, real-time moving standard deviation estimation was performed to identify viable regions exhibiting variations in cytodynamic properties in samples.

レポート生成
形態画像及び/又は形態画像に基づく周波数マップを生成した後、画像、マップ、画像若しくはマップに基づく診断、又は画像、マップ若しくは診断に基づいて特定される特性のうち1つ又は複数に基づき、レポートを生成して転送することができる。このレポートは、形態画像又は周波数マップ等の画像データを含むことができ、また、画像、マップ若しくは診断に基づいて特定される特性又は診断に関する情報を含むこともできる。レポートは、電子的伝送及び/又はハード(例えば紙等)コピーを含む種々の形態で転送することができる。レポートは、臨床スタッフ(例えば医師、看護師、技師、又は他の医療従事者)、研究者、患者、又は医療提供者等の主体に転送することができる。
Report generation After generating a morphological image and/or a frequency map based on the morphological image, a , reports can be generated and forwarded. The report may include image data, such as morphological images or frequency maps, and may also include information regarding characteristics or diagnoses identified based on the images, maps, or diagnoses. Reports may be transferred in a variety of forms, including electronic transmission and/or hard (eg, paper, etc.) copies. Reports can be forwarded to subjects such as clinical staff (eg, doctors, nurses, technicians, or other medical personnel), researchers, patients, or healthcare providers.

複数の異なる食道障害を有すると診断された被験者から得られた生検に対し、d-マイクロOCTによる機能イメージングを行った。図2は、慢性胃食道逆流症(GERD)のために内視鏡検査を受けている被験者から採取した食道生検の画像を示す。図2Aに示されている平均的な(n=200)標準のマイクロOCT画像では、一部の構造は見分けることができるが、屈折率コントラストが不十分であるため、それほど顕著ではなかった。また、スペックルの存在によって細胞の特徴の細部可視化はさらに妨げられた。このスペックルは、フレーム平均化処理の後でもOCT画像のノイズの一般的な原因である。d-マイクロOCT(図2B)では、格段に高い細胞コントラストが達成された。このコントラストの上昇は、別々の組織区画のサブセルラーレベルの運動の差に起因するものであり、細胞質の光散乱の運動は、細胞膜や間隙スペースの光散乱の運動より高い周波数に関連付けられる。細胞核等の小器官も、その低い周波数成分により、d-マイクロOCTを用いて識別可能となった(図2D,2E)。一部の細胞では、細胞核(図2E、赤色)の周囲に中程度の周波数範囲(図2E、青色;0.55~0.78Hz)に及ぶ変動が見られ、これはおそらく、細胞核周囲の小器官の近傍の運動を示していると考えられる。パワースペクトル解析を使用し、得られたハイパースペクトルデータから適切な周波数範囲を選択することにより、複数の異なる組織構造を選択的に可視化する手段が提供された。例えば、図2Fに示すように、0.16Hzでは細胞膜の方が細胞質より明るく見えるが、4~20Hzのより高い周波数範囲ではコントラストが逆転した。d-マイクロOCTは、対応するHE染色組織学的像(図2G)と同等の細部に及ぶ微小構造情報を提供する他にさらに、単一細胞で複数の異なる細胞内運動レートについての情報も与える。例えば、基底層上の扁平上皮細胞の中には、他のものよりも高い周波数成分を示したものがあり(図3A~3C)、同じ細胞種類の中でも細胞内運動の不均一性を示した。 Functional imaging by d-micro-OCT was performed on biopsies obtained from subjects diagnosed with multiple different esophageal disorders. FIG. 2 shows images of an esophageal biopsy taken from a subject undergoing endoscopy for chronic gastroesophageal reflux disease (GERD). In the average (n=200) standard micro-OCT image shown in FIG. 2A, some structures can be seen but were not very noticeable due to poor refractive index contrast. In addition, the presence of speckle further hindered visualization of cellular features in detail. This speckle is a common source of noise in OCT images even after frame averaging. Significantly higher cell contrast was achieved with d-micro-OCT (Fig. 2B). This contrast enhancement is due to differences in subcellular-level motion of separate tissue compartments, with cytoplasmic light-scattering motion associated with higher frequencies than those of cell membranes and interstitial spaces. Organelles such as cell nuclei were also identifiable using d-micro-OCT due to their low frequency content (Figs. 2D, 2E). Some cells show fluctuations spanning a moderate frequency range (Fig. 2E, blue; 0.55-0.78 Hz) around the cell nucleus (Fig. 2E, red), probably due to small It is thought that this indicates motion in the vicinity of the organ. Using power spectral analysis and selecting appropriate frequency ranges from the resulting hyperspectral data provided a means of selectively visualizing multiple different tissue structures. For example, as shown in FIG. 2F, the cell membrane appeared brighter than the cytoplasm at 0.16 Hz, but the contrast was reversed in the higher frequency range of 4-20 Hz. Besides providing detailed microstructural information comparable to the corresponding HE-stained histological image (Fig. 2G), d-micro-OCT also provides information on multiple different intracellular motility rates in single cells. . For example, some squamous epithelial cells on the basal layer exhibited higher frequency components than others (Figs. 3A-3C), indicating heterogeneity of intracellular movements even within the same cell type. .

図4は食道生検の画像である。標準的なマイクロOCT画像では、生検の基底部から延在する乳頭(図4A,p)を見ることができるが、それ以外は均質であり、全体的に、明確に区別可能な細胞特徴は何ら見られなかった。これに対して擬似カラーd-マイクロOCT画像(図4B)では、標準的なマイクロOCT画像では見えなかった多くの追加の形態上及び機能上の細部が見られた。d-マイクロOCTを用いると、個々の扁平上皮細胞(図4B)の識別が容易になり、その外観は、対応する組織学的像(図4C)における扁平上皮細胞の外観と非常に一致した。さらに、細胞内力学的特性の層別化で、成熟化が深度に依存することも明らかとなり、最表層の成熟細胞は低速の運動を示したのに対し、生検中のより深い場所の未成熟の細胞はより高速な細胞内運動を示した。以上の発見は、我々の扁平上皮の成熟化ついての理解、すなわち、細胞の分裂及び成熟は基底層から表面の方向の深度に依存し、上部では細胞が死んでいたり剥離していることがある、という理解と一致している。d-マイクロOCTによってより顕著になったもう1つの特徴は、扁平乳頭であった。標準的なマイクロOCT画像(図4D)では、大きな乳頭の周辺の細胞は、周辺の扁平上皮細胞の輝度と同等の輝度でかすかに観察されることがある。d-マイクロOCTでは、上記の大きな乳頭周辺の細胞は、図4Eに示されている1.57Hz画像のような低周波数スペクトル画像において際立って見えた。乳頭内には他に、16~20Hzのより高い周波数範囲で活動を示す細胞種類も存在することが明らかとなった(図4F)。これに対応する組織学的像(図4H)は、このような細胞の中に乳頭内白血球である可能性のある細胞と、他の基底上皮細胞である可能性のある細胞が存在することを示唆する。 FIG. 4 is an image of an esophageal biopsy. In standard micro-OCT images, the papilla (Fig. 4A,p) extending from the base of the biopsy can be seen, but is otherwise homogeneous and overall, with no clearly distinguishable cellular features. nothing was seen. In contrast, the pseudocolor d-micro OCT image (FIG. 4B) revealed many additional morphological and functional details not visible in the standard micro-OCT image. Using d-micro-OCT, the identification of individual squamous epithelial cells (Fig. 4B) was facilitated, and their appearance was very consistent with that of squamous epithelial cells in the corresponding histological images (Fig. 4C). Furthermore, stratification of intracellular mechanical properties also revealed that maturation is depth-dependent, with mature cells in the outermost layer exhibiting slow motility, whereas those deeper in the biopsy were less active. Mature cells exhibited faster intracellular movements. These findings support our understanding of squamous epithelial maturation: cell division and maturation depend on the depth from the basal layer to the surface, and cells may be dead or detached at the top. is consistent with the understanding that Another feature that was made more pronounced by d-micro-OCT was flat papillae. In a standard micro-OCT image (Fig. 4D), cells around large papillae can be faintly observed with brightness comparable to that of surrounding squamous epithelial cells. In d-micro-OCT, the large peripapillary cells were prominent in low frequency spectral images such as the 1.57 Hz image shown in FIG. 4E. It was also revealed that there were other cell types within the papilla that exhibited activity in the higher frequency range of 16-20 Hz (Fig. 4F). The corresponding histological picture (Fig. 4H) revealed the presence of possible intra-papillary leukocytes and other possible basal epithelial cells among such cells. Suggest.

マイクロOCTでは見えなかった細胞構造を強調できるd-マイクロOCTの上記の能力について、人間の被検者の胃食道接合部から採取した生検の一例で詳細に示す(図5)。標準的なマイクロOCT画像(図5A)は、細胞内コントラストを識別するのが困難な腺構造を示す。d-マイクロOCTでは、先端のムチン細胞質(図5B,a)及び細胞核(図5B,b)と一致する低周波数の基底構造が際立った。興味深いこととして、細胞の中央は多量の高周波数成分を示した(図5B,m)。対応する組織学的像(図5C)により、これらの腺はムチン細胞を含むことが確認された。 This ability of d-micro-OCT to highlight cell structures that were not visible with micro-OCT is illustrated in detail in an example of a biopsy taken from the gastroesophageal junction of a human subject (FIG. 5). A standard micro-OCT image (Fig. 5A) shows glandular structures with difficult to discern intracellular contrast. d-micro-OCT highlighted low-frequency basal structures consistent with the apical mucin cytoplasm (Fig. 5B, a) and cell nuclei (Fig. 5B, b). Interestingly, the center of the cell showed a large amount of high frequency components (Fig. 5B,m). Corresponding histological images (Fig. 5C) confirmed that these glands contained mucin cells.

d-マイクロOCTによって頸部扁平上皮を撮像すると、追加の発見が提供された(図6)。頸部扁平上皮のフレーム平均化された標準的なマイクロOCT画像では、若干数の扁平上皮細胞の基底膜(図6A,bm)及び輪郭が観察された(図6A)。対応するd-マイクロOCT画像は、横断面画像全体にわたって扁平上皮内の細胞のうち大半の細胞の細部に及ぶ特徴を示した(図6B)。この上皮の下4分の1の部分の基底細胞及び副基体細胞(図6B,b,pb)は相当量の0.47~0.63Hz周波数成分(図6B,6C中の青色)を示し、これは細胞質全体に存在していた。中間の細胞はこのような中レベルの周波数成分を示し、これは主に当該細胞の中心のみに存在していた(図6C、矢印)。表面に向かって細胞の成熟が進むにつれて、0.47~0.63Hz未満の信号で徐々になだらかになっていく(図6C)。表面付近では低周波数成分(0~0.08Hz)が支配的となった(図6B、赤色)。以上の観察は、図6Dに示された対応する組織学的像と非常に一致しており、深度に依存して異なる細胞内力学的特性により特徴付けられる上皮成熟特徴を強調している。 Imaging the cervical squamous epithelium by d-micro-OCT provided additional findings (Fig. 6). In the frame-averaged standard micro-OCT images of the cervical squamous epithelium, a few squamous cell basement membranes (Fig. 6A, bm) and contours were observed (Fig. 6A). The corresponding d-micro-OCT image showed detailed features of most of the cells within the squamous epithelium throughout the cross-sectional image (Fig. 6B). The basal and subbasal cells of the lower quarter of this epithelium (FIGS. 6B,b,pb) exhibit a substantial 0.47-0.63 Hz frequency component (blue in FIGS. 6B, 6C), It was present throughout the cytoplasm. Intermediate cells exhibited such mid-level frequency components, which were mainly present only in the center of the cells (Fig. 6C, arrows). Signals below 0.47-0.63 Hz become progressively smoother as the cells mature towards the surface (Fig. 6C). Low frequency components (0-0.08 Hz) dominated near the surface (Fig. 6B, red). These observations are highly consistent with the corresponding histological image shown in FIG. 6D, highlighting features of epithelial maturation characterized by different intracellular mechanical properties depending on depth.

事例
以下は、本願開示の装置、方法又はシステムのうちいずれか1つ又は複数を用いて実施可能な手順の非限定的な例である。
Examples The following are non-limiting examples of procedures that can be performed using any one or more of the disclosed devices, methods or systems.

細胞の撮像及び識別
切除直後の人間の組織のd-マイクロOCT撮像を行い、これを組織スライドに細胞ごとにレジストレーションすることができる。対応するHE及び免疫組織化学手法(IHC)をグランドトゥルースとして、入手可能なd-マイクロOCT機械学習アルゴリズムを訓練/バリデーションして、人間の異なる細胞種類や組織種類を検出できるようにすることができる。
Imaging and Identification of Cells d-Micro-OCT imaging of freshly excised human tissue can be performed and registered cell-by-cell to tissue slides. With corresponding HE and immunohistochemistry techniques (IHC) as ground truth, available d-micro OCT machine learning algorithms can be trained/validated to detect different cell and tissue types in humans. .

三次元培養において生きた/アポトーシス/死んだ細胞を区別できるd-マイクロOCTの能力は、人間及びネズミの複数の異なるメラノーマ細胞株からのスフェロイドを処置することにより達成される。対照スフェロイド及び処置済みスフェロイドに対してd-マイクロOCTを実施し、その結果を、ヘキスト-33342、アネキシンV-FITC、及びヨウ化プロピジウム(PI)染色を用いて行われる細胞生死状態のゴールドスタンダードの蛍光ベース分析と比較することができる。かかる場合において、生きたスフェロイド腫瘍細胞は中程度の周波数の運動成分を示し、アポトーシス細胞は高周波数の運動成分を示し、死んだ細胞は低周波数の運動シグネチャを示すか又は運動シグネチャを示さないことを、我々は発見した。 The ability of d-microOCT to distinguish live/apoptotic/dead cells in three-dimensional culture is achieved by treating spheroids from multiple different human and murine melanoma cell lines. d-Micro-OCT was performed on control and treated spheroids and the results are the gold standard of cell viability performed using Hoechst-33342, annexin V-FITC, and propidium iodide (PI) staining. A comparison can be made with fluorescence-based assays. In such cases, live spheroidal tumor cells exhibit a moderate frequency motion component, apoptotic cells exhibit a high frequency motion component, and dead cells exhibit a low frequency or no motion signature. , we discovered.

ダイナミック・マイクロOCT撮像は、植込型マイクロデバイス処置された切除直後の人間腫瘍マウスモデルに対して実施し、薬物効能と関連付けられる確立されたIHCマーカのパネルと比較することができる。このデータは、癌組織におけるアポトーシス及び細胞死と関連付けられる薬物依存及び腫瘍依存のd-マイクロOCTシグネチャを定義することとなる。 Dynamic micro-OCT imaging can be performed on an implantable microdevice-treated post-ablation human tumor mouse model and compared to a panel of established IHC markers associated with drug efficacy. This data will define drug- and tumor-dependent d-micro-OCT signatures associated with apoptosis and cell death in cancer tissues.

人間腫瘍マウスモデル組織は、細胞増殖に関連する分子過程(細胞骨格、代謝、成長)の十分に特徴付けられた(well-characterized)薬理学的阻害剤によって変異させることができる。薬物の作用モードに依存する組織/細胞周波数成分の変化から、d-マイクロOCT信号の基礎であるメカニズムが分かる。 Human tumor mouse model tissues can be mutated by well-characterized pharmacological inhibitors of molecular processes (cytoskeleton, metabolism, growth) associated with cell proliferation. Changes in tissue/cell frequency components depending on the drug's mode of action reveal the mechanism underlying the d-micro OCT signal.

細胞内運動の画質改善とキャラクタリゼーション
より広幅の帯域の光源の採用、開口数(NA)の増大、及び拡大焦点深度光学系の採用を含めたイメージングシステムの改良により、全ての次元において空間分解能を2倍に増加させることができる。サブピクセルレベルの超解像度の時間的外挿アルゴリズムを用いて、空間分解能及び周波数分解能をさらに向上させることができる。
Improving image quality and characterization of intracellular motion Imaging system improvements, including the use of broader band light sources, increased numerical apertures (NA), and extended depth-of-focus optics, have improved spatial resolution in all dimensions. It can be increased by a factor of two. Sub-pixel level super-resolution temporal extrapolation algorithms can be used to further improve spatial and frequency resolution.

時間周波数解析及び機械学習アルゴリズムを用いて、d-マイクロOCTデータをより広範に掘り下げて、運動性信号の中から追加の生体医療関連情報を発見することができる。 Using time-frequency analysis and machine learning algorithms, the d-micro OCT data can be drilled more extensively to discover additional biomedical relevant information within the motility signals.

生体系を撮像する際に生じる運動アーティファクトを低減するため、安定化、面外3Dスキャン、高速の位相感知d-マイクロOCT法を開発することができる。患者においてd-マイクロOCTイメージングを行うために2つのプローブ(ハンドヘルド及び内視鏡)を作製し、臨床パイロット研究で皮膚及び上部胃腸系においてこれら2つの機器を生体内で用いることのフィージビリティを調べることができる。 Stabilization, out-of-plane 3D scanning, fast phase-sensitive d-micro OCT methods can be developed to reduce motion artifacts that occur when imaging biological systems. To fabricate two probes (handheld and endoscopic) to perform d-micro-OCT imaging in patients and to examine the feasibility of using these two instruments in vivo in the skin and upper gastrointestinal system in a clinical pilot study. can be done.

種々の実施形態では、人間の切除直後の組織の横断面画像において細胞内の運動を測定するためにダイナミック・マイクロOCTを用いることができる。ダイナミック・マイクロOCT(d-マイクロOCT)を用いて、順次取得されたマイクロOCT画像の画素ごとの時間的パワースペクトルを計算し、複数の異なる周波数帯を別々のRGBカラーチャネルに符号化した(図7B)。その結果により、画像コントラストの顕著な増加が見られ、従来のマイクロOCT強度画像(図7A)では見られない異なる特徴的周波数において異なる細胞特徴及びサブセルラーレベルの特徴が現れた(図7B)。人間の頸部の画像(図7)から分かるように、d-マイクロOCTを用いると細部に及ぶ細胞形態が区別可能となり(図7B)、静的な細胞核(図7E、アステリスク「」を付した橙色の矢印)を含む変動的な細胞質の周囲に比較的静的な細胞膜が存在することによって顕著となる。d-マイクロOCTの横断面特性及び機能的特性により、基底/副基体細胞が中程度の周波数成分(図7F、青色)を示すことによって成熟パターンを明確に認識することができ、これは場合によっては、細胞が中間の層に移動するにつれて細胞核(図7E、白色の矢印)の周囲で減少して統合される小器官輸送又は微小管重合により生じるものである。この中周波数の変調は、表層には存在しない(図7D)。d-マイクロOCT画像は深度優先で高速取得されるので、横方向平面でイメージングするモダリティと比較して、格段に大きな範囲の周波数をプロービングすることができる(図9)。d-マイクロOCTのこの高速のサブセルラー解像度の横断面イメージング能力により、組織中の細胞に含まれる動的な微小構造情報の利用価値の調査にとって理想的となる。 In various embodiments, dynamic micro-OCT can be used to measure intracellular motion in cross-sectional images of freshly resected human tissue. Dynamic micro-OCT (d-micro-OCT) was used to calculate pixel-by-pixel temporal power spectra of sequentially acquired micro-OCT images, encoding different frequency bands into separate RGB color channels (Fig. 7B). The results showed a significant increase in image contrast, revealing different cellular and subcellular-level features at different characteristic frequencies (Fig. 7B) not seen in conventional micro-OCT intensity images (Fig. 7A). As can be seen from the human cervical image (Fig. 7), detailed cell morphology was distinguishable using d-micro OCT (Fig. 7B) and static cell nuclei (Fig. 7E, marked with an asterisk " * "). marked by the presence of a relatively static plasma membrane surrounding a variable cytoplasm containing (orange arrows). Cross-sectional and functional characterization of d-micro-OCT allows the maturation pattern to be clearly recognized by the basal/sub-basal cells exhibiting intermediate frequency content (Fig. 7F, blue), which in some cases is caused by organelle transport or microtubule polymerization that decreases and integrates around the cell nucleus (Fig. 7E, white arrows) as cells migrate to the middle layer. This mid-frequency modulation is absent in the superficial layer (Fig. 7D). Because d-micro OCT images are depth-first and fast acquired, a much larger range of frequencies can be probed compared to imaging modalities in the transverse plane (FIG. 9). This high-speed, sub-cellular resolution, cross-sectional imaging capability of d-micro-OCT makes it ideal for investigating the utility of dynamic microstructural information contained in cells in tissues.

本願開示の手順の実施形態を用いて、細胞内運動性に基づき組織中の細胞の表現型特定のためのラベルフリーの深度分解された顕微鏡イメージング方法を確立することができる。これは、d-マイクロOCTの生物学的及び臨床上の重要性の理解を深め、能力が劇的に向上した進化した新規のd-マイクロOCT技術を開発及び検証することにより達成された。以下、d-マイクロOCTが種々の生体医療分野に及ぼし得る潜在的影響について説明する。 Embodiments of the disclosed procedures can be used to establish a label-free depth-resolved microscopy imaging method for phenotyping of cells in tissue based on intracellular motility. This has been achieved by deepening our understanding of the biological and clinical significance of d-micro-OCT and by developing and validating advanced novel d-micro-OCT techniques with dramatically improved capabilities. The potential impact that d-micro-OCT can have on various biomedical fields is discussed below.

生体医療イメージングマイクロOCTは、組織の横断面画像を1μmの解像度で得ることができる能力と、生きた患者において比較的容易に実施可能であることにより、生体内顕微鏡検査の分野を再定義すると位置付けられる急成長の技術である。マイクロOCTはこれまで、小径のプローブを生体内で使用することにより実施されており、種々の技術実施態様がなされており、多様な器官系/疾患が調査対象となっている。組織力学的特性の表現型特定も、薬物開発や個別化された治療アッセイのためのラベルフリー細胞評価の必要性が高まっていることに関連して、普及してきている。d-マイクロOCTはマイクロOCTと細胞内運動性表現型特定とを融合することによって両方の分野を加速すると共に、大きな影響力を持つ強力かつ新規の生体医療イメージング能力を提供するものである。 Biomedical imaging micro-OCT is poised to redefine the field of intravital microscopy due to its ability to obtain cross-sectional images of tissue at 1 μm resolution and its relative ease of implementation in living patients. It is a rapidly growing technology that is Micro-OCT has so far been performed in vivo using small diameter probes, has various technical implementations, and various organ systems/diseases are being investigated. Phenotyping of histomechanical properties is also becoming prevalent in conjunction with the growing need for label-free cell assessment for drug development and personalized therapeutic assays. By fusing micro-OCT and intracellular motility phenotyping, d-micro-OCT will accelerate both fields and provide powerful and novel biomedical imaging capabilities with great impact.

生体内顕微鏡法。d-マイクロOCTは、組織切除及び組織病理学の多くの限界を克服することができる。d-マイクロOCTは最高水準のHEに近い細胞解像度と、向上したコントラストと、横断面イメージングとを有し(図7)、さらに、d-マイクロOCTは顕微鏡スライド上の静的な組織からは得ることができない機能情報を含む。我々は人体で小径のマイクロOCTプローブを生体内で使用し、本願で開示する先進技術を用いて、生きた患者においてd-マイクロOCTを行った。生体内で横断面における細胞構造/機能を評価することができるd-マイクロOCTの能力により、より低侵襲で、かつサンプリングエラーを減少させて診断を行うことができ、これにより介入をリアルタイムで、より高精度で行うことができる。 Intravital microscopy. d-Micro-OCT can overcome many limitations of tissue resection and histopathology. d-micro OCT has cell resolution approaching the state-of-the-art HE, enhanced contrast and cross-sectional imaging (Fig. 7), and d-micro OCT is obtained from static tissues on microscope slides. Contains feature information that cannot be We used small diameter micro-OCT probes in vivo in the human body and performed d-micro-OCT in live patients using the advanced techniques disclosed in this application. The ability of d-micro-OCT to assess cell structure/function in vivo in cross-sections allows for less invasive and less sampling error diagnostics, allowing interventions in real-time, It can be done with higher precision.

3D細胞モデル患者の細胞を3D細胞モデル(オーガノイド、スフェロイド、又は臓器チップ等)に成長させる新技術が、臨床前薬物スクリーニングにおいて重要性を増している。というのも、元の組織の細胞異種性及び機能を2D培養より良好に反復できるからである。市販のアッセイでは一般的に、細胞を死滅させ、生存状態を調べるために染色し、計数する必要がある。d-マイクロOCTは、他の高解像光代謝イメージング技術と同様、細胞を死滅することなく生存状態、細胞種類、及び細胞状態を縦断的に数値評価するために使用することができる。また、d-マイクロOCTは視野が大きく、1μmの深度解像度を有し、器官型培養プラットフォームにおいて正確かつ効率的な3D細胞イメージングを可能にできる機能を有する。 3D Cell Models New techniques for growing patient cells into 3D cell models (such as organoids, spheroids, or organ chips) are gaining importance in preclinical drug screening. This is because the cell heterogeneity and function of the original tissue can be recapitulated better than 2D culture. Commercially available assays generally require cells to be killed, stained for viability, and counted. d-Micro-OCT, like other high-resolution photometabolic imaging techniques, can be used to longitudinally numerically assess viability, cell type, and cell state without killing the cells. In addition, d-micro OCT has a large field of view and a depth resolution of 1 μm, a feature that can enable accurate and efficient 3D cell imaging in an organotypic culture platform.

個別化された治療。幅広い種々の作用メカニズムを有する多くの異なるクラスの薬物が患者を処置するために入手可能となっており、又は開発中である。しかし、既存のアプローチは、生きた組織における薬物の具体的な作用メカニズムの観点での効能(例えば細胞生死状態、免疫細胞の活性化、代謝速度の変化、又は細胞の分裂及び増殖等)を測定するための良好な手法を提供するものではない。臨床試験の中には、上述の情報を得るために生検採取を繰り返し、静止状態で読取りを行う個々の時点に制限されるものがある。生体内で行われるd-マイクロOCTは、個別化された治療を最適化するため、罹患した組織を連続モニタリングできるようにするため、化合物が所望の効果を有するか否かをより早期かつより直接的に特定するための手段を提供するために使用することができる。 individualized treatment. Many different classes of drugs with a wide variety of mechanisms of action are available or under development for treating patients. However, existing approaches measure efficacy in terms of specific mechanisms of action of drugs in living tissues (e.g., cell viability, activation of immune cells, changes in metabolic rate, or cell division and proliferation). It does not provide a good method for doing so. Some clinical trials are limited to individual time points with repeated biopsies and static readings to obtain the above information. In vivo d-micro-OCT allows continuous monitoring of diseased tissue to optimize individualized therapy, thus providing earlier and more direct indication of whether a compound has the desired effect. can be used to provide a means for specific identification.

植込型マイクロデバイス(IMD)IMDは、患者において複数の治療法の効果を同時にモニタリングするための新規の技術である。このデバイスは複数の別個のウェルを有し、各ウェルにはそれぞれ異なる薬物/カクテルが入っている。患者の腫瘍に植込んでインキュベーションした後、装置及び隣接組織を外科手術により取り出し、IHC組織病理学的検査を行ってネクローシスを数値化する。これに代えて、IMDを定期的に生体内でd-マイクロOCTによって調べ、機能的顕微鏡読取りによってクリティカルな横断面イメージング情報を提供することもできる。薬物効果をリアルタイムで連続モニタリングすることにより、全身治療と同様、本技術のインパクトを現在使用可能な個別時点方式より有意に増大させることができる。 Implantable Microdevices (IMD) IMD is a novel technology for simultaneously monitoring the effects of multiple therapies in a patient. The device has multiple separate wells, each containing a different drug/cocktail. After implantation and incubation in the patient's tumor, the device and adjacent tissue are surgically removed and subjected to IHC histopathology to quantify necrosis. Alternatively, the IMD can be routinely examined in vivo by d-micro OCT and functional microscopic readout can provide critical cross-sectional imaging information. Real-time continuous monitoring of drug effects, like systemic therapy, can significantly increase the impact of this technology over the currently available discrete time point approaches.

マイクロOCTは、広帯域幅のスーパーコンティニューム光源と、コモンパス干渉法と、特異な拡張焦点深度撮像との組み合わせにより可能となる。d-マイクロOCTは、従来のマイクロOCTを発展させた新技術であり、従来にない細胞の横断面のラベルフリー画像を、より有意義なコントラストで提供するものである。 Micro-OCT is enabled by a combination of broadband supercontinuum light sources, common-path interferometry, and unique extended depth-of-focus imaging. d-Micro-OCT is a new technology that develops conventional micro-OCT and provides unprecedented label-free images of cross-sections of cells with more meaningful contrast.

動的信号の生物学的意義:本願開示の重要な革新は、種々の細胞種類、組織種類、及び病理種類に及ぶ、組織学的像(IHC)と一致したd-マイクロOCT人間細胞及び組織アトラスの創出である。このデータセットを解析することにより、多くの重要な疾患に対するd-マイクロOCTの診断正確性を特定することができる。スフェロイド及び人間マウス腫瘍モデルにおいて調べることにより、治療に対する反応を数値化して細胞内運動性に寄与する様々なメカニズムをキャラクタリゼーションするd-マイクロOCTの能力について知ることができる。これらをまとめると、上記の実験セットにより、細胞内運動性イメージングの分野における知識の境界を有意に進歩させることができる。 Biological Significance of Dynamic Signals: A Key Innovation of the Present Disclosure is Histological Contrast (IHC) Consistent d-Micro OCT Human Cell and Tissue Atlases Across Different Cell Types, Tissue Types, and Pathology Types is the creation of By analyzing this data set, the diagnostic accuracy of d-micro-OCT for many important diseases can be determined. Examinations in spheroids and human mouse tumor models provide insight into the ability of d-micro-OCT to quantify response to treatment and characterize different mechanisms contributing to intracellular motility. Taken together, the experimental set described above can significantly advance the boundaries of knowledge in the field of intracellular motility imaging.

d-マイクロOCTの能力の拡張:細胞内運動性信号及び生体内イメージングから情報を最大限抽出して空間及び時間分解能を向上させる新技術が開発及び検証されている。かかる最先端の技術は、現在よりもd-マイクロOCTを格段に高性能化し、より幅広く適用可能とすることができるであろう。以下、これらの革新的な発展について詳述する。 Expanding the capabilities of d-micro OCT: New techniques are being developed and validated to maximize information extraction from intracellular motility signals and in vivo imaging to improve spatial and temporal resolution. Such state-of-the-art technology could make d-micro OCT much more sophisticated and more widely applicable than it is today. These innovative developments are detailed below.

d-マイクロOCTは、損傷の無い人間及び動物の組織の横断面運動性イメージングを生体外で、高コントラスト、サブセルラーレベルで可能にする。スーパーコンティニューム照明されるコモンパスのスペクトル領域OCT(SDOCT)システムを使用して2μm×2μm(ラテラル)×1μm(アキシャル)の解像度で横断面画像を得るマイクロOCTベンチトップシステム顕微鏡を使用して、d-マイクロOCTデータを得た(図7,9~16)。焦点深度は300μmであり、これは、サンプルアームの対物レンズの環状アポダイゼーションにより拡張された。Aライン(深度分解される反射率プロファイル)レートを20kHz、ラテラル方向の広がりを1mmとして、画像を取得した。全ての組織サンプルを、培養培地(FBS/DMEM10%+ペニシリンストレプトマイシン1%)中25℃で、新鮮状態で撮像した。1)25秒の期間でN=1000個の画像(1画像あたり512個のAライン)を順次取得するスキャンモード(図8、スキャンモード1)、あるいは、2)各ラテラルスキャンポイントでN=1000個のAラインを順次取得するスキャンモード(図8、スキャンモード2)の2つのスキャンモードを用いた。蒸発又は振動に起因するバルク運動を除去するために局所的な弾性アンワーピング処理を行った後、ウェルチ法と周波数正規化とを用いてパワースペクトル推定(ピリオドグラム)を画素ごとに計算した。スキャンモード1では、1つの画像でデータを表現するため、低周波(約0~0.1Hz)、中周波(約0.5~0.7Hz)、及び高周波(約4~20Hz)の周波数成分画像を、24ビットカラー画像のRGBチャネルにマージした。図7及び図9~16は、d-マイクロOCTが幅広い異なる組織種類について大きい周波数範囲にわたって提供する劇的に改善されたコントラストと機能情報内容とを強調して示す図である。重要な発見には、以下のものが含まれる。
1.d-マイクロOCTは、多種多様な組織について、標準的なマイクロOCTより向上した細胞コントラストを有するサブセルラーレベルの運動性の横断面画像を提供する(図7,9~16)。
2.変調周波数区別に基づき細胞内特徴を可視化することができる(図7,9,16)。
3.時空間情報を用いて細胞種類及び/又は細胞状態を符号化することができる(図7,9~15)。
4.横断面イメージング及び周波数符号化を行えるd-マイクロOCTの能力により、基底層から表面までの上皮細胞の機能的成熟を観察することができる(図7,10,15,16)。
5.d-マイクロOCTは、これまで認識されなかったキロヘルツ範囲の高周波成分の調査を可能にする(図10)。
6.d-マイクロOCTは、スフェロイド(図11)及び組織(図12,13)に治療剤を適用した後の細胞の生死状態を示唆する細胞内変調の異なる変化を示すことができる。
7.d-マイクロOCTは、化学療法薬により引き起こされる炎症流入(図14)を強調する。
8.d-マイクロOCTは、人間の皮膚の高コントラストの生体内機能イメージングを可能にする(図15)。
d-Micro-OCT enables cross-sectional motility imaging of intact human and animal tissues ex vivo, at high-contrast, sub-cellular levels. Using a micro-OCT benchtop system microscope to obtain cross-sectional images at a resolution of 2 μm × 2 μm (lateral) × 1 μm (axial) using a supercontinuum-illuminated common-path spectral-domain OCT (SDOCT) system, d - Micro-OCT data were obtained (Figures 7, 9-16). The depth of focus was 300 μm, which was enhanced by a circular apodization of the objective lens of the sample arm. Images were acquired with an A-line (depth-resolved reflectance profile) rate of 20 kHz and a lateral spread of 1 mm. All tissue samples were imaged fresh at 25° C. in culture medium (FBS/DMEM 10%+penicillin-streptomycin 1%). 1) a scan mode (Fig. 8, scan mode 1) that sequentially acquires N = 1000 images (512 A-lines per image) over a period of 25 seconds, or 2) N = 1000 at each lateral scan point. Two scan modes (FIG. 8, scan mode 2) for sequentially acquiring A lines were used. After local elastic unwarping to remove bulk motion due to evaporation or vibration, power spectrum estimates (periodograms) were computed pixel-by-pixel using Welch's method and frequency normalization. In scan mode 1, in order to express data in one image, frequency components of low frequency (approximately 0 to 0.1 Hz), medium frequency (approximately 0.5 to 0.7 Hz), and high frequency (approximately 4 to 20 Hz) Images were merged into the RGB channels of a 24-bit color image. Figures 7 and 9-16 highlight the dramatically improved contrast and functional information content that d-micro OCT provides over a large frequency range for a wide variety of different tissue types. Important findings include:
1. d-micro-OCT provides cross-sectional images of subcellular motility with improved cellular contrast over standard micro-OCT for a wide variety of tissues (Figs. 7, 9-16).
2. Subcellular features can be visualized based on modulation frequency discrimination (Figs. 7, 9, 16).
3. Spatiotemporal information can be used to encode cell type and/or cell state (Figs. 7, 9-15).
4. The ability of d-micro OCT to perform cross-sectional imaging and frequency encoding allows us to observe the functional maturation of epithelial cells from the basal layer to the surface (Figs. 7, 10, 15, 16).
5. d-micro OCT allows investigation of previously unrecognized high frequency components in the kilohertz range (FIG. 10).
6. d-micro-OCT can show differential changes in intracellular modulation suggestive of cell viability after application of therapeutic agents to spheroids (FIG. 11) and tissues (FIGS. 12, 13).
7. d-micro OCT highlights inflammatory influx (FIG. 14) caused by chemotherapy drugs.
8. d-micro OCT enables high-contrast in vivo functional imaging of human skin (Fig. 15).

細胞及び組織におけるd-マイクロOCTの生物学的意義の特定 Identification of the biological significance of d-micro OCT in cells and tissues

臨床上重要な人間の細胞/組織種類を識別するためのd-マイクロOCTの精度の特定 Determining the Accuracy of d-Micro OCT for Discriminating Clinically Important Human Cell/Tissue Types

最初のデータ(図7,9~16)では、d-マイクロOCTが従来のマイクロOCT(例えば図7A等)より大幅に改善された形態的コントラストを提供することが分かるが、d-マイクロOCTが人間の異なる細胞種類や組織種類をどの程度区別できるかは不明である。細胞レベルで組織学的像/IHCと一致する臨床上重要な人間の組織のd-マイクロOCT画像から、アトラスを作成することができる。このデータを、入手可能な機械学習パイプラインで使用して、顕微鏡形態学的診断に係るd-マイクロOCTの精度を特定することができる。これにより得られる結果は、人間の組織の病理学的診断のためのd-マイクロOCTを実施する基礎となる。 Initial data (FIGS. 7, 9-16) show that d-micro OCT provides significantly improved morphological contrast over conventional micro-OCT (such as FIG. 7A), although d-micro OCT It is unclear to what extent different human cell and tissue types can be distinguished. An atlas can be generated from d-micro-OCT images of clinically significant human tissues that are consistent with histology/IHC at the cellular level. This data can be used in available machine learning pipelines to determine the accuracy of d-micro-OCT for microscopic morphological diagnosis. The results obtained thereby form the basis for performing d-micro-OCT for pathological diagnosis of human tissues.

検体の種類及び数。正常な上皮、異形成の上皮、悪性の上皮、充実性腫瘍、及びリンパ節の生検及び人間の手術検体による組織(表1)。これらの組織種類は、その入手可能性と、臨床的関連性と、関連する細胞種類の多様性とに基づいて用いることができる。複数の異なる患者から、種々のサンプルサイズ数(例えば、1つの組織種類あたりの検体数n=10等)のサンプルを用いることができる。1検体あたり10個程度のd-マイクロOCT断面を撮像、処理及び解析することができる。

Figure 2023520579000007
表1.分析対象の組織種類 Specimen type and number. Tissues from normal epithelium, dysplastic epithelium, malignant epithelium, solid tumors, and lymph node biopsies and human surgical specimens (Table 1). These tissue types can be used based on their availability, clinical relevance, and diversity of cell types involved. A number of different sample sizes (eg, number of specimens per tissue type, n=10, etc.) can be used from different patients. As many as ten d-micro OCT sections can be imaged, processed and analyzed per specimen.
Figure 2023520579000007
Table 1. Tissue type to be analyzed

d-マイクロOCTイメージング最初に、上記にて記載したように従来のベンチトップd-マイクロOCTを用いて撮像を行うことができるが、先進のd-マイクロOCT技術を組み込むことができる。新鮮な組織では、切除後1時間未満に撮像を行うことができる。検体を200μm厚の切片に切断し、切断面を通じて拡散を促進する検体ホルダに配置して、培養培地に浸漬することができる。撮像を容易にするために上皮表面を上方に向けて(この向きが関連する場合)、組織を37℃の常温で撮像することができる。撮像後、サンプルの上部及び下部で精密レーザ焼灼により、組織におけるd-マイクロOCT横断面の位置をマーキングすることができる。さらに、レーザ焼灼を、組織学的に見ることができる蛍光及び/又は吸収インクによってマーキング(overmark)することができる。 d-Micro OCT Imaging First, imaging can be performed using conventional benchtop d-micro OCT as described above, but advanced d-micro OCT techniques can be incorporated. Imaging can be performed less than an hour after resection in fresh tissue. Specimens can be cut into 200 μm thick sections, placed in specimen holders that promote diffusion through the cut surface, and immersed in culture medium. The tissue can be imaged at ambient temperature of 37° C. with the epithelial surface facing upwards (where this orientation is relevant) to facilitate imaging. After imaging, the location of d-micro-OCT cross-sections in the tissue can be marked by precision laser ablation on top and bottom of the sample. Additionally, laser ablation can be overmarked with histologically visible fluorescent and/or absorbing inks.

組織学的処理組織はホルマリン固定パラフィン包埋(FFPE)処理することができる。4μmごとに3D連続切片を切り取ることができる。敵対的生成ネットワーク(GAN)で訓練された畳み込みニューラルネットワーク(CNN)に入力された自家蛍光画像から、仮想HE(VHE)染色を計算することができる。その後、切片に(細胞核をラベリングするための)DAPI染色処理を施し、組織ベースのサイクリック免疫蛍光法(t-CyCIF)を実施することができる。関心対象の細胞種類を特殊なIHCマーカによって識別することができ、その例を表2に示している。3Dデータセットをレジストレーション、ワーピング、及び再フォーマット処理して、d-マイクロOCTとVHE/IHC画像とを一致させる際に上部マーク及び下部マークがあるようにすることができる。VHE/IHC及びd-マイクロOCT画像の両方で同じ細胞が見られるように、追加のデータセットワーピング処理を行うことができる。

Figure 2023520579000008
表2.調査で使用された細胞種類及びIHCマーカの例 Histological Processing Tissues can be formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) processed. 3D serial sections can be cut every 4 μm. Virtual HE (VHE) staining can be computed from autofluorescence images input to a convolutional neural network (CNN) trained with a generative adversarial network (GAN). Sections can then be treated with DAPI staining (to label cell nuclei) and tissue-based cyclic immunofluorescence (t-CyCIF) can be performed. Cell types of interest can be identified by special IHC markers, examples of which are shown in Table 2. The 3D dataset can be registered, warped, and reformatted so that there are top and bottom marks when matching d-micro OCT and VHE/IHC images. Additional dataset warping processing can be performed so that the same cells are seen in both VHE/IHC and d-micro OCT images.
Figure 2023520579000008
Table 2. Examples of cell types and IHC markers used in the study

細胞種類の分析。d-マイクロOCTピリオドグラム画像は、標準的な手順又はより高度なアルゴリズムを使用して計算することができ、カスタムのCellProfiler機械学習パイプラインに入力することができる。訓練及びリファインメントが、t-CyCIF及びVHEで求められた細胞種類をグランドトゥルースとして、CellProfiler Analystを用いてルールを生成することができる。分類の正確性は、プロスペクティブに実施することができる。 Analysis of cell types. The d-micro OCT periodogram image can be computed using standard procedures or more sophisticated algorithms and can be input into a custom CellProfiler machine learning pipeline. Training and refinement can generate rules using CellProfiler Analyst with the t-CyCIF and VHE determined cell types as ground truth. Classification accuracy can be performed prospectively.

組織診断分析病理医に対してブラインド試験を行うと、1)d-マイクロOCT画像に基づいた場合と、2)細胞種類の分類を重ね合わせたd-マイクロOCT画像に基づいた場合とで、d-マイクロOCT切片について一致した診断を下すことができる。ゴールドスタンダードであるVHE診断を用いて、各組織/疾患種類ごとの感度/特異性を測定することができる。 Histopathological analysis When blinded to pathologists, 1) based on d-micro OCT images and 2) based on d-micro OCT images overlaid with cell type classification, d - Consistent diagnosis can be made on micro-OCT sections. The gold standard VHE diagnosis can be used to measure sensitivity/specificity for each tissue/disease type.

検体数の統計学的根拠。1つの組織種類あたりの画像数を100とし、1画像あたりの最小細胞数を100とすると、1つの組織種類あたりd-マイクロOCTによって識別される細胞数は10,000超となり得ることが予想される。最小アバンダンスクラスが5%であると考えると、最小で500個の陽性の細胞を訓練、リファインメント及びバリデーションする必要があり得る。感度及び特性が90%であると予想し、訓練、リファインメント及びバリデーションのためのサンプルの分布が1:1:1であると仮定すると、感度については±5%、特異性については±1%の95%の信頼区間を達成し得る。 Statistical Basis for Number of Samples. Given the number of images per tissue type of 100 and the minimum number of cells per image of 100, it is expected that the number of cells identified by d-micro-OCT per tissue type could exceed 10,000. be. Given that the minimum abundance class is 5%, a minimum of 500 positive cells may need to be trained, refined and validated. Assuming a 90% sensitivity and characteristic and a 1:1:1 distribution of samples for training, refinement and validation, ±5% for sensitivity and ±1% for specificity. can achieve a 95% confidence interval of

追加的な手法-画像レジストレーション。データセットのレジストレーションを改善するための追加の手法を実施することができ、これには、高精度テープ切片及びPPFEブロックの3D OCT又はマイクロCTイメージングを用いて3Dワーピング境界条件を提供することを含む。周波数成分は細胞の状態によって変わり得る。d-マイクロOCTは細胞活動を表す尺度を提供するので、IHCでは同一の細胞種類に対応する複数の異なるd-マイクロOCTピリオドグラムが存在し得る。 Additional Technique - Image Registration. Additional techniques can be implemented to improve the registration of the dataset, including providing 3D warping boundary conditions using 3D OCT or microCT imaging of high-precision tape sections and PPFE blocks. include. The frequency components can vary depending on the state of cells. Since d-micro OCT provides a measure of cellular activity, there can be multiple different d-micro OCT periodograms corresponding to the same cell type in IHC.

希少な細胞種類では、サンプル数が不十分になる。希少な細胞種類を適切に分析するためにサンプル数が不十分である場合、代替組織(例えばリンパ系細胞に対する扁桃等)を選択すること、サンプル数を増加すること、及び/又は、例えばk分割クロスバリデーション等の他の技術を用いることにより豊富化することができる。 Rare cell types lead to insufficient sample numbers. If the number of samples is insufficient to adequately analyze rare cell types, selecting alternative tissues (e.g. tonsils versus lymphoid cells), increasing the number of samples and/or e.g. It can be enriched by using other techniques such as cross-validation.

仮想HE。ここでは、自家蛍光によって生成されたVHEを用いて、全てのスライド及び画像が抗原検索の妨げとならないように同一平面のものとなることを保証する。VHEが病理診断に適切でない場合には、他の蛍光剤(例えばDAPI及びエオジン等)を用いてVHEを生成することができる。 Virtual HE. Here, VHE generated by autofluorescence is used to ensure that all slides and images are coplanar so as not to interfere with antigen retrieval. If VHE is not suitable for pathological diagnosis, other fluorescent agents (such as DAPI and eosin) can be used to generate VHE.

スフェロイドにおける生きた/アポトーシス/死んだ細胞を判別するためのd-マイクロOCTの使用 Use of d-micro OCT to Discriminate Live/Apoptotic/Dead Cells in Spheroids

検体を変えることなく3D培養モデルにおいて生きた/アポトーシス/死んだ細胞を迅速に検出することができる手法は、生体医療研究のこの成長中の領域における効率を向上することが期待される。仮データ(図11)及び他のコヒーレンスベースの運動性調査により、例えばスフェロイド等のサンプルにおいて細胞の生死状態を評価するためにd-マイクロOCTを使用できることが示唆されている。ここで、人間及びネズミの複数の異なるメラノーマ細胞株から処置済みのスフェロイドを撮像することにより、三次元培養における生きた/アポトーシス/死んだ細胞を区別するd-マイクロOCTの能力を検証することができる。d-マイクロOCT画像を、ヘキスト33342、アネキシンV-FITC、及びヨウ化プロピジウム(PI)染色を用いて行われる細胞死のゴールドスタンダードの蛍光ベース分析と比較することができる。その結果により、本アッセイについてのd-マイクロOCTの正確さを確定することができ、3D培養モデルで細胞生死状態の評価を行うための実現性のある代替態様となり得る。 A technique that can rapidly detect live/apoptotic/dead cells in 3D culture models without changing the specimen is expected to improve efficiency in this growing area of biomedical research. Preliminary data (FIG. 11) and other coherence-based motility studies suggest that d-micro-OCT can be used to assess cell viability in samples such as spheroids. Here we validated the ability of d-micro-OCT to distinguish between live/apoptotic/dead cells in three-dimensional culture by imaging treated spheroids from multiple different human and murine melanoma cell lines. can. The d-micro-OCT images can be compared to the gold standard fluorescence-based analysis of cell death performed using Hoechst 33342, annexin V-FITC, and propidium iodide (PI) staining. The results allow us to confirm the accuracy of d-microOCT for this assay and may be a viable alternative for assessing cell viability in 3D culture models.

検体の種類及び数。3D培養研究にて使用される細胞の代表である細胞種類を使用して、様々な生体的及び薬理学的条件に対して結果が一貫性を有することを保証することができる。最初の調査は、ネズミのメラノーマ細胞(例:B16.F10)を用いることができる。次の試験は、人間の分化したメラノーマ細胞(例えばA375等)と脱分化したメラノーマ細胞(例えばRPMI7951)を用いて行うことができる。 type and number of specimens; A cell type that is representative of the cells used in 3D culture studies can be used to ensure that results are consistent for a variety of biological and pharmacological conditions. Initial studies can use murine melanoma cells (eg B16.F10). Subsequent tests can be performed using human differentiated melanoma cells (eg A375, etc.) and dedifferentiated melanoma cells (eg RPMI7951).

スフェロイドの成長及び処置スフェロイドの生成についての詳細は、文献に詳細に記載されている。簡単に述べると、腫瘍細胞(1×10)を10cmの超低接着(ULA)プレートに播種して、スフェロイド形成を促進することができる。24~48時間後、NaOHを用いてpH調整されたフェノールレッドを含む10×PBSを添加した後に、S2(40~100μm)スフェロイド分画をペレット化して2.5mg/mLの濃度でタイプIのラットの尾のコラーゲン(Corning社)に再懸濁することができる。その後、このスフェロイド-コラーゲン混合物を3Dマイクロフルイディック培養デバイス(DAX-1 Chip、AIM Biotech社)の中心ゲル領域に注入することができる。37℃で30分経過した後、細胞死を引き起こす薬物(例えばスタウロスポリンSTS 1~5μM)又は賦活剤対照物(DMSO 0.1%)を含む媒質(FBS/DMEM 10%及びペニシリンストレプトマイシン1%)によって、腫瘍スフェロイドを含むコラーゲンハイドロゲルを24~48時間にわたって水和することができる。 Details of spheroid growth and generation of treated spheroids are well documented in the literature. Briefly, tumor cells (1×10 6 ) can be seeded in 10 cm ultra-low attachment (ULA) plates to promote spheroid formation. After 24-48 hours, the S2 (40-100 μm) spheroid fraction was pelleted and type I at a concentration of 2.5 mg/mL after addition of 10×PBS containing phenol red pH adjusted with NaOH. It can be resuspended in rat tail collagen (Corning). This spheroid-collagen mixture can then be injected into the central gel region of a 3D microfluidic culture device (DAX-1 Chip, AIM Biotech). After 30 min at 37° C., media (FBS/DMEM 10% and penicillin streptomycin 1%) containing drugs that induce cell death (eg staurosporine STS 1-5 μM) or stimulator controls (DMSO 0.1%). ) allows collagen hydrogels containing tumor spheroids to be hydrated for 24-48 hours.

d-マイクロOCTイメージング。上記の培養チップ全体をd-マイクロOCTで三次元撮像することができ、その後に共焦点又は二光子顕微鏡とスフェロイドごとに比較するため、各スフェロイドの空間的位置を記録することができる。 d-micro OCT imaging. The entire culture chip can be three-dimensionally imaged with d-micro OCT, and the spatial position of each spheroid can be recorded for subsequent spheroid-by-spheroid comparison with confocal or two-photon microscopy.

アッセイ:d-マイクロOCT撮像後、ヘキスト/PI+/アネキシンV-FITC染色を用いてオンチップ生死アポトーシス染色を行うため、スフェロイドを処理することができる。上記にて述べたように、Nexcelom社のヘキスト(Ho)及びヨウ化プロピジウム(PI)をマイクロフルイディックデバイスに装填することにより、デュアルラベリングを行うことができる。 Assay: After d-micro-OCT imaging, spheroids can be processed for on-chip viability apoptosis staining using Hoechst/PI+/Annexin V-FITC staining. As noted above, dual labeling can be performed by loading the microfluidic device with Hoechst (Ho) and propidium iodide (PI) from Nexcelom.

共焦点顕微鏡染色後、スフェロイドに対して共焦点顕微鏡法を実施することができる。生きた細胞はヘキスト33342で染色されるが、アネキシンVの表面染色に対しては陰性であり、損傷の無い細胞膜を有するのでPIは除外される。初期アポトーシスの細胞はアネキシンV陽性となるが、PIは除外される。死んだ細胞(後期アポトーシス又はネクローシス)は、アネキシンVを含む又は含まないPIで染色される。 After confocal microscopy staining, confocal microscopy can be performed on the spheroids. Viable cells stain with Hoechst 33342, but are negative for surface staining of annexin V and have intact cell membranes, excluding PI. Early apoptotic cells become annexin V positive but exclude PI. Dead cells (late apoptotic or necrotic) are stained with PI with or without annexin V.

分析。各細胞の共焦点顕微鏡画像又は二光子顕微鏡画像にd-マイクロOCT画像を一対一でレジストレーションすることができる。共焦点で特定された細胞状態をグランドトゥルースとして、カスタムのCellProfiler Analystパイプラインを用いてd-マイクロOCTピリオドグラム画像を訓練及びリファインメントすることができる。細胞状態種類(生/アポトーシス/死)の一致は、プロスペクティブに特定し、コーエンのκ係数を用いて数値化することができる。 analysis. The d-micro OCT images can be one-to-one registered to the confocal or two-photon microscopy images of each cell. A custom CellProfiler Analyst pipeline can be used to train and refine the d-micro OCT periodogram images, using the confocally determined cell states as ground truth. Concordance of cell state types (live/apoptotic/dead) can be prospectively specified and quantified using Cohen's kappa coefficient.

他の追加的手法-細胞種類の多様性成長パターン如何にかかわらずd-マイクロOCTイメージングの正確性を確認するためには、人間及びネズミの複数の細胞種類を評価することができる。 Other Additional Approaches—Diversity of Cell Types Multiple human and murine cell types can be evaluated to confirm the accuracy of d-micro-OCT imaging regardless of growth patterns.

代替薬。最初の調査は、カスパーゼ依存及びカスパーゼ非依存の細胞死を引き起こす広く確立されたパンプロテインキナーゼC(PKC)阻害剤であるSTSを用いることができる。生理学的又は臨床的により重要な刺激を評価するためには、外因性の炎症サイトカイン(例えばTNFa+/IFNg等)によってスフェロイドを処置することにより抗腫瘍免疫反応を擬態し、及び/又は、MAPキナーゼをターゲットとする小分子(MAPK経路)を擬態することができる。 Alternative medicine. Initial investigations can use STS, a widely established pan-protein kinase C (PKC) inhibitor that causes caspase-dependent and caspase-independent cell death. To assess physiologically or clinically more important stimuli, mimic anti-tumor immune responses by treating spheroids with exogenous inflammatory cytokines (e.g., TNFa+/IFNg, etc.) and/or MAP kinase. Targeted small molecules (MAPK pathways) can be mimicked.

組織における抗がん剤に対する腫瘍反応を検出するd-マイクロOCTの能力の特定 Identification of the ability of d-micro OCT to detect tumor responses to anticancer agents in tissues

患者が全身療法に反応しているか否かを迅速に特定することは、オンコロジーにおいて未だ充足されていない臨床上の要請である。仮データ(図11~13)及び他の細胞内移動性研究により、d-マイクロOCTは組織における細胞アポトーシス及び細胞死に対応する運動シグネチャを検出可能であるはずとの示唆が得られているが、その感度や特異性は未知である。このギャップを埋めるため、事前に処置されたネズミの腫瘍においてd-マイクロOCT撮像を生体外で実施することができる。測定結果を、薬物効能と関連付けられるIHCマーカと比較することができる。そのデータは、アポトーシス、ネクローシス、又は増殖停止を含めた薬物反応に対応する周波数シグネチャを定義することができ、当該データにより、処置済みの組織における上記の表現型を検出するd-マイクロOCTの精度を判定することができる。 Rapid identification of whether a patient is responding to systemic therapy is an unmet clinical need in oncology. Although preliminary data (FIGS. 11-13) and other intracellular mobility studies suggest that d-micro-OCT should be able to detect kinetic signatures corresponding to cell apoptosis and cell death in tissues, Its sensitivity and specificity are unknown. To fill this gap, d-micro-OCT imaging can be performed ex vivo on pretreated murine tumors. Measurement results can be compared to IHC markers associated with drug efficacy. The data can define frequency signatures corresponding to drug responses, including apoptosis, necrosis, or growth arrest, and provide the accuracy of d-micro OCT to detect the above phenotypes in treated tissues. can be determined.

生体内薬物反応測定のための手法。生きた腫瘍を化学療法薬物に曝露させるためには、IMDを使用してこれを腫瘍内に直接配置し、腫瘍の閉じ込め領域に種々の薬物を微量で、十分に定義された濃度勾配で放出することができる。薬物送達マイクロデバイスが有利である理由は、腫瘍内に、薬物暴露の制御性が非常に高い閉じ込め領域を形成するからである。また、このデバイスでは、マウスごとの薬物摂動の大きなセットの測定を行うことができる(各デバイスの貯蔵部は最大20個である)。植込型マイクロデバイスには、例えばドキソルビシン、シスプラチン、オラパリブ及びトポテカン等の化学療法薬の貯蔵部を装填することができ、例えば300~400mmのサイズの腫瘍に直接適用される。腫瘍内送達は、IC50,(1/10)IC50,(1/3)IC50,及び3×IC50に相当する4つの局所投与量で行うことができる。このシステムを用いて以前行った測定により、6時間~48時間の組織暴露でアポトーシス誘導が最も盛んになったことが示された。治療活性の種々の段階を把握し、薬物のセットの中で異なる可能性のあるアポトーシス誘導速度を考慮するためには、薬物送達IMDを3つの時点で腫瘍内に植込んだままとすることができ、例えばこの3つの時点は6時間、24時間及び48時間とすることができる。各時点ごとに、反復測定(replicate measurement)を2つの腫瘍モデルそれぞれについて行うことができる。上記の4つの薬物は全ての各マイクロデバイスに、上記の4つの濃度で設けることができる(各マイクロデバイスは、装填された貯蔵部のこれら16の条件を試験することができ、これに加えてさらに4つの対照/賦活剤の貯蔵部がある)。2つの腫瘍モデルにおいてn=8個の複製サンプルを3つの時点で用いるためには、総じて48個の腫瘍(48匹のマウス)が必要となり得る。組織採取の時点で腫瘍を動物から摘出し、直ちにd-マイクロOCT撮像へ送ることができる。腫瘍の未使用の部分は保存することができる。 A technique for in vivo drug response measurement. To expose a live tumor to a chemotherapeutic drug, an IMD is used to place it directly into the tumor, releasing various drugs in minute amounts and in well-defined concentration gradients into the tumor's confined region. be able to. Drug-delivery microdevices are advantageous because they create a confined region within the tumor with highly controlled drug exposure. Also, this device can measure a large set of drug perturbations per mouse (up to 20 reservoirs for each device). Implantable microdevices can be loaded with reservoirs of chemotherapeutic agents such as doxorubicin, cisplatin, olaparib and topotecan, and are applied directly to tumors, eg 300-400 mm 3 in size. Intratumoral delivery can be performed at four topical doses corresponding to IC50, (1/10) IC50, (1/3) IC50, and 3×IC50. Previous measurements with this system showed that apoptosis induction was greatest between 6 and 48 hours of tissue exposure. In order to capture different stages of therapeutic activity and to account for the possible different rates of apoptosis induction within the set of drugs, the drug-delivery IMD was left implanted in the tumor at three time points. For example, the three time points can be 6 hours, 24 hours and 48 hours. For each time point, replicate measurements can be performed for each of the two tumor models. The above four drugs can be provided in every microdevice at the above four concentrations (each microdevice can test these 16 conditions of loaded reservoirs, plus There are also 4 control/stimulator reservoirs). A total of 48 tumors (48 mice) may be required to use n=8 replicate samples at 3 time points in 2 tumor models. At the time of tissue harvest, tumors can be excised from animals and immediately sent for d-micro OCT imaging. Unused portions of the tumor can be saved.

d-マイクロOCT撮像及び組織学的処理。上記のように切除された腫瘍に対して、d-マイクロOCT撮像及びマーキングを行うことができる。d-マイクロOCTの後、腫瘍サンプルをFFPE処理し、細胞レベルのレジストレーションを保証するように慎重にこの腫瘍サンプルを切片化することができる。スライドに対して、アポトーシス及び細胞死を検出するための確立されたマーカ(例えば切断カスパーゼ3、切断カスパーゼ8、切断PARP、ph-g-H2AX、及びph-S6等)を用いて多重IHC染色を施すことができる。VHEを生成することができる。 d-Micro-OCT imaging and histological processing. d-Micro-OCT imaging and marking can be performed on resected tumors as described above. After d-micro-OCT, tumor samples can be FFPE-treated and carefully sectioned to ensure cell-level registration. Slides were subjected to multiplex IHC staining using established markers to detect apoptosis and cell death (such as cleaved caspase 3, cleaved caspase 8, cleaved PARP, ph-g-H2AX, and ph-S6). can apply. VHE can be generated.

分析。各薬物ごとにその抗腫瘍効果を、各IHCマーカごとの陽性染色された細胞の割合に基づいてスコアリングすることができる(例えば、所与のROIにおけるアポトーシス指数=[切断カスパーゼ3+細胞数]/[総細胞数]等)。細胞死に関連付けられる複数のマーカを使用できるのは、切断カスパーゼ3は細胞アポトーシス過程の間に一時的にしか現れないからである。d-マイクロOCTピリオドグラム画像は、上記のように計算することができる。d-マイクロOCTピリオドグラムは、例えばCellProfiler機械学習パイプライン等のソフトウェアアルゴリズムに入力することができ、また、アポトーシス又はネクローシスのIHC指標をグランドトゥルースとして、CellProfiler Analyst等のソフトウェアにより分類ルールを生成することができる。 analysis. The anti-tumor efficacy of each drug can be scored based on the percentage of positively stained cells for each IHC marker (e.g., apoptotic index in a given ROI = [cleaved caspase-3 + number of cells]/ [total number of cells], etc.). Multiple markers associated with cell death can be used because cleaved caspase-3 appears only transiently during the cell apoptotic process. A d-micro OCT periodogram image can be calculated as described above. The d-micro OCT periodogram can be input into a software algorithm such as the CellProfiler machine learning pipeline, and classification rules can be generated by software such as the CellProfiler Analyst using the IHC index of apoptosis or necrosis as ground truth. can be done.

動物数の統計学的根拠。上記の調査で使用される薬物に対する腫瘍の反応から観察される変動性と、インビトロでの2つの細胞株の感度差とに基づくと、1回の測定あたりn=8個の複製を使用すれば、グランドトゥルースIHCにより測定される薬物反応において、p<0.05及びα=0.05の値の統計学的に有意な差を得ることができる。ここで、全ての時点にわたってプールしたd-マイクロOCTの診断感度/特異性が90%であると仮定すると、1つの腫瘍モデルあたり動物を24匹とすれば、信頼区間±12%で95%が得られる。 Statistical basis for animal numbers. Based on the variability observed from tumor responses to the drugs used in the above studies and the difference in sensitivity of the two cell lines in vitro, using n=8 replicates per measurement , a statistically significant difference in drug response measured by ground truth IHC with values of p<0.05 and α=0.05 can be obtained. Here, assuming a diagnostic sensitivity/specificity of 90% for d-microOCT pooled across all time points, with 24 animals per tumor model, 95% with a confidence interval of ±12%. can get.

性別及びその他の重要な生物学的変数。卵巣腫瘍であるため、雌のマウスを用いることができる。 Gender and other important biological variables. Since it is an ovarian tumor, female mice can be used.

他の追加的アプローチ-代替的な腫瘍モデル癌の種類の幅を広げるため、本調査はSKOV-3及びOVCAR-3の他に、例えばA375、BT474及びPC3等の一般的に使用される化学療法に対して異なる反応を示す人間の他の腫瘍モデルを用いて実施される。 Other Additional Approaches--Alternative Tumor Models To broaden the range of cancer types, this study explores SKOV-3 and OVCAR-3 as well as commonly used chemotherapies such as A375, BT474 and PC3. with other human tumor models that respond differently to

細胞活動、増殖及び代謝に対してd-マイクロOCT信号がどのように変化するかの特定 Determining how the d-micro OCT signal varies with cell activity, proliferation and metabolism

癌細胞を示す1つの特徴は、宿主組織と比較して増殖の速度が速いことである。さらに、悪性細胞の増殖速度は腫瘍の攻撃性及び生存状態を予測する指標であり、また、細胞障害性化学療法に対する薬物反応の制限された予測変数であることも分かっている。以前のコヒーレンスベースの運動性調査に裏付けられる一仮説は、上昇した代謝、小器官輸送、及び細胞内部骨格再組織化により実現される増殖が、d-マイクロOCT信号に現れ得る、というものである。この仮説を実証するため、増殖に関連する特異な分子過程の十分にキャラクタリゼーションされた薬理学的阻害剤(表3)を使用して、d-マイクロOCTシグネチャに対する各細胞過程の寄与を処理することができる。これはトランスレーショナル上非常に重要なものであり、d-マイクロOCTが腫瘍の増殖活動を特定できるならば、治療の効能を現在実現可能なレベルより低侵襲で、かつより早期に評価できることになる。 One characteristic that indicates cancer cells is their rapid rate of proliferation compared to host tissue. In addition, the growth rate of malignant cells has been shown to be a predictor of tumor aggressiveness and viability, and a limited predictor of drug response to cytotoxic chemotherapy. One hypothesis, supported by previous coherence-based motility studies, is that proliferation achieved by increased metabolism, organelle trafficking, and cell endoskeletal reorganization can manifest in the d-micro-OCT signal. . To substantiate this hypothesis, we use well-characterized pharmacological inhibitors of distinct molecular processes associated with proliferation (Table 3) to address the contribution of each cellular process to the d-micro-OCT signature. be able to. This is of great translational importance, and if d-micro-OCT can identify proliferative activity in tumors, it will allow less invasive and earlier assessment of treatment efficacy than is currently feasible. Become.

腫瘍細胞は増殖性及び運動性が高く、代謝が有意に上昇しているので、本研究にとって理想的なモデル系である。人間のSKOV-3卵巣癌腫瘍モデルは、適切な系の一例である。このモデルは3週間の間に、大半が非ネクローシスの充実性腫瘍をネズミに高信頼性で生じさせる。これは、細胞倍加時間が約24~36時間と増殖性が高く、表3の薬剤に対して感受性を示す。検体は、生成した過剰な腫瘍組織から採取する。

Figure 2023520579000009
表3.ターゲット薬物処置の概要 Tumor cells are highly proliferative and motile, with significantly increased metabolism, making them an ideal model system for this study. The human SKOV-3 ovarian cancer tumor model is one example of a suitable system. This model reliably produces predominantly non-necrotic solid tumors in mice over a period of 3 weeks. It is highly proliferative with a cell doubling time of approximately 24-36 hours and exhibits sensitivity to the agents in Table 3. Specimens are taken from the excess tumor tissue generated.
Figure 2023520579000009
Table 3. Overview of Targeted Drug Treatment

腫瘍増殖転形の手法:
確立されたベースライン信号を用いた縦断的なイメージングを行うと共に、薬物摂動後24時間の期間にわたって複数の時点でモニタリングを行うことにより、薬物活性に起因するd-マイクロOCT信号の変化の包括的な評価を提供することができる。よって、SKOV-3腫瘍の組織スライスモデルを用いることができる。簡単に説明すると、切除直後の腫瘍を、培養培地中で500μm厚になるように、腫瘍マトリクス又はビブラトームで切片化することができる。次に、この切片をプレート上の器官型担持体(organotypic support)に移すことができる。これは、複数の切片を保持できると共に、横断面イメージングが可能なものであり、培養培地が充填されている。その後、上記のスライスが入ったプレートを制御下の培養チャンバ内で、撮像持続時間にわたって加湿雰囲気下で37℃かつCO 5%に維持することができる。表3に掲げた各薬剤ごとに、与えられた腫瘍切片をIC50、(1/3)IC50及び3×IC50の3つの濃度で薬物処置することができる。他の追加のウェルは、賦形剤のみで処置された腫瘍切片を入れることができる。各薬物/各濃度ごとにn=8個の組織スライスを別々のウェルで同一条件下で処置することができる。
Techniques for tumor growth transformation:
A comprehensive view of changes in the d-micro OCT signal due to drug activity was obtained by longitudinal imaging with an established baseline signal and monitoring at multiple time points over a 24-hour period after drug perturbation. can provide a good evaluation. Thus, tissue slice models of SKOV-3 tumors can be used. Briefly, freshly excised tumors can be sectioned with a tumor matrix or vibratome at 500 μm thickness in culture medium. This section can then be transferred to an organotypic support on a plate. It can hold multiple sections, is capable of cross-sectional imaging, and is filled with culture medium. The plate with the slices can then be maintained in a controlled culture chamber at 37° C. and 5% CO 2 in a humidified atmosphere for the duration of imaging. For each drug listed in Table 3, a given tumor section can be drug treated at three concentrations: IC50, (1/3) IC50 and 3×IC50. Other additional wells can contain tumor sections treated with vehicle only. n=8 tissue slices for each drug/concentration can be treated in separate wells under identical conditions.

d-マイクロOCT撮像及び組織学的像:d-マイクロOCT撮像は、上記のように行うことができる。薬理学的化合物の添加直前にベースライン画像を取得すると共に、添加後30分、1時間、2時間、6時間、12時間、及び24時間でベースライン画像を取得することができる。撮像後、組織をFFPE処理して切片化することにより、3D連続HEスライドを作成することができる。特異の経路及び増殖阻害作用を確認するため、他の追加のIHC染色を用いることもできる(例えばki67等)。 d-Micro OCT Imaging and Histological Imaging: d-Micro OCT imaging can be performed as described above. A baseline image can be obtained immediately prior to addition of the pharmacological compound, and baseline images can be obtained at 30 minutes, 1 hour, 2 hours, 6 hours, 12 hours, and 24 hours after addition. After imaging, the tissue can be FFPE treated and sectioned to create 3D serial HE slides. Other additional IHC stains can also be used to confirm specific pathways and growth inhibitory effects (eg ki67, etc.).

分析。サンプルの分解の可能性を考慮するため、賦形剤処置された検体から得られたデータに対して、薬物処置されたウェルから得られたd-マイクロOCTデータを正規化することができる。その後、上記のようにd-マイクロOCTピリオドグラム画像を計算することができる。d-マイクロOCTピリオドグラムの変化を画素ごと、細胞ごと、及び組織ごとに、薬物、濃度及び時点に依存して評価することができる。 analysis. To account for possible sample degradation, d-micro OCT data obtained from drug-treated wells can be normalized against data obtained from vehicle-treated specimens. A d-micro OCT periodogram image can then be computed as described above. Changes in the d-micro-OCT periodogram can be assessed pixel-by-pixel, cell-by-cell, and tissue-by-tissue, depending on drug, concentration and time point.

付加的な手法-組織の分解未処置の賦形剤サンプルで有意な組織分解が観察される場合、d-マイクロOCTの測定の合間に成長培地を定期的に交換することができる。さらに、検体の中心における養分拡散を向上するために組織スライス厚を薄くすることもできる。また、上記の制御下の培養チャンバに、利用可能な培地灌流システムを組み込むこともできる。 Additional Approach--Tissue Degradation If significant tissue degradation is observed in untreated vehicle samples, the growth medium can be changed periodically between d-micro-OCT measurements. Additionally, tissue slice thickness can be reduced to improve nutrient diffusion in the center of the specimen. Also, available media perfusion systems can be incorporated into the controlled culture chambers described above.

細胞内運動のキャラクタリゼーションを改善するための新規のd-マイクロOCT技術の開発:d-マイクロOCTの空間分解能と周波数分解能の増加 Development of novel d-micro OCT techniques for improved characterization of intracellular motility: increasing spatial and frequency resolution of d-micro OCT

光学的空間分解能。表4は、現在のd-マイクロOCTシステム及び新規のd-マイクロOCTシステムの空間分解能性能パラメータを示す。光学的空間分解能は、以下のうち1つ又は複数で改善することができる:1)マイクロOCT光源の中心波長が800nmから700nmに減少する、2)マイクロOCT光源の帯域幅が300nmから400nmに拡大する、3)サンプルアームレンズの開口数(NA)がNA=0.12からNA=0.2に増加する、4)300μmの範囲の横断面イメージングを維持しつつ、DOFを20倍以上拡張することが分かっている拡張焦点深度(EDOF)技術が実現される。この空間分解能性能を超える試みも可能ではあるが、横断面イメージング性能あるいは透過深度を有意に損なうことなくアキシャル解像度及びラテラル解像度を2倍にするため、表4に示すパラメータを保守的に選択した。新規のd-マイクロOCTシステムの空間分解能は、ナイフエッジスキャン、zスキャン、標準分解能での切除組織のイメージングによって検証することができる。x次元、y次元及び/又はz次元における2つの改善された分解能のファクタが見られた場合、これを成功と定義することができる。

Figure 2023520579000010
表4.d-マイクロOCT系の分解能パラメータ。 Optical spatial resolution. Table 4 shows the spatial resolution performance parameters of the current d-micro OCT system and the new d-micro OCT system. Optical spatial resolution can be improved by one or more of the following: 1) the center wavelength of the micro-OCT light source is reduced from 800nm to 700nm, 2) the bandwidth of the micro-OCT light source is increased from 300nm to 400nm. 3) the numerical aperture (NA) of the sample arm lens is increased from NA=0.12 to NA=0.2; 4) the DOF is extended over 20x while maintaining cross-sectional imaging in the 300 μm range. A known extended depth of focus (EDOF) technique is implemented. Although attempts to exceed this spatial resolution performance are possible, the parameters shown in Table 4 were conservatively chosen to double axial and lateral resolution without significantly compromising transverse imaging performance or depth of penetration. The spatial resolution of the novel d-micro OCT system can be verified by knife-edge scans, z-scans, and imaging of resected tissue at standard resolution. Success can be defined when two improved resolution factors in the x, y and/or z dimensions are seen.
Figure 2023520579000010
Table 4. Resolution parameters of the d-micro OCT system.

計算による空間超解像度。d-マイクロOCTを用いることにより、細胞内運動(信号)と大規模に生じるバルク運動の両方の存在下で、サンプルの同一箇所から複数の画像又はAラインが取得される。さらに、サンプルに環状のパターンを集束させるマイクロOCT EDOF技術が、レンズに高い空間周波数情報をエイリアシングする。バルク運動及びエイリアシングにより、装置構成や取得プロセスを変更することなく空間分解能を計算により上昇させることができる。図16は、同一のマイクロOCTデータセットから生成された標準的なd-マイクロOCT画像及び空間超解像度のd-マイクロOCT画像を示す。ハイブリッド二重対角化正則化処理と全画像アフィン変換幾何ワーピング処理とによってガウスニュートン非線形最小二乗最小化を行うことにより、超解像度画像を算出した。ここで、マルチスケールの局所レジストレーションと弾性アンワーピング処理とを組み込むことにより上記のアルゴリズムの精度及び性能を向上することができる。3Dビームスキャンを併用することにより、面外データを回復して超解像度画像を三次元で再構成することができる。上記と同一の手法を用いて、ファントム及び組織の超解像度画像と、対応する組織学的像とを比較することにより、上記の結果を検証することができる。2倍の解像度増加が見られた場合、これを成功と定義することができる。 Computational spatial super-resolution. Using d-micro-OCT, multiple images or A-lines are acquired from the same portion of the sample in the presence of both intracellular motion (signal) and large-scale bulk motion. Furthermore, the micro-OCT EDOF technique that focuses the annular pattern onto the sample aliases high spatial frequency information onto the lens. Bulk motion and aliasing can computationally increase the spatial resolution without changing the device configuration or acquisition process. FIG. 16 shows a standard d-micro-OCT image and a spatial super-resolution d-micro-OCT image generated from the same micro-OCT dataset. Super-resolution images were computed by performing Gauss-Newton nonlinear least-squares minimization with a hybrid bidiagonalization regularization process and a full-image affine transformation geometric warping process. Here, the accuracy and performance of the above algorithms can be improved by incorporating multi-scale local registration and elastic unwarping. Combined with 3D beam scanning, out-of-plane data can be recovered to reconstruct super-resolution images in three dimensions. The above results can be verified by comparing the super-resolution images of the phantom and tissue with the corresponding histological images using the same technique as above. Success can be defined if a two-fold increase in resolution is seen.

計算による周波数超解像。度周波数分解能が上昇することにより、d-マイクロOCTの判別能力を有意に改善させることができ、特に、細胞内運動の大半が生じる低周波数(0~10Hz)で改善される。全測定持続時間が周波数分解能を決定するので、取得時間を長くすることにより追加の周波数情報内容が得られるか否かを見出すことができる。しかし、取得時間の延長は多くのシナリオにおいて望ましいものでなく、生体内の画像取得の場合には耐えられないものとなる。よって、全取得時間を変えることなく離散的な帯域幅の中でパワースペクトル周波数分解能を上昇できる高解像DFT(HRDFT)アルゴリズム及び拡張DFT(EDFT)アルゴリズムを用いて、d-マイクロOCTピリオドグラムを計算することを研究することができる。周波数分解能は、ファントム、細胞、及び組織に埋め込まれた磁気変調されるマイクロビーズを用いて試験することができる。0~10Hzの周波数分解能の2倍の増加が見られた場合、これを成功と定義することができる。 Computational frequency super-resolution. Increased frequency resolution can significantly improve the discriminative power of d-micro-OCT, especially at low frequencies (0-10 Hz) where most of the intracellular movements occur. Since the total measurement duration determines the frequency resolution, it can be found whether additional frequency information content is obtained by increasing the acquisition time. However, extended acquisition times are undesirable in many scenarios and become intolerable for in vivo image acquisition. Therefore, high-resolution DFT (HRDFT) and extended DFT (EDFT) algorithms, which can increase the power spectral frequency resolution in discrete bandwidths without changing the total acquisition time, were used to obtain d-micro-OCT periodograms. You can study computing. Frequency resolution can be tested using magnetically modulated microbeads embedded in phantoms, cells, and tissues. Success can be defined when a two-fold increase in frequency resolution from 0-10 Hz is observed.

d-マイクロOCT信号からより多くの情報を処理及び抽出するための新規アルゴリズムの開発 Development of novel algorithms to process and extract more information from d-micro OCT signals

時間周波数解析。(TFA)d-マイクロOCT組織運動性信号の短時間フーリエ変換(STFT)解析を行うと、細胞内の運動が非定常であることが示唆される。よって、TFAを用いると、d-マイクロOCTから抽出可能な情報が増加する可能性がある。ストックウェル変換(ST)を用いることができるが、低周波数におけるストックウェル変換の超解像能力のため、STFT、ウェーブレット、Wigner-Ville、定Qガボール変換、及び他の時間周波数表現を含む他の可能な手順を用いて、判別を改善することができる。TFAは、3D弾性アンワーピング後の信号に適用することができる。エネルギー濃度ハイブリッド分類スキームと時間周波数クラスタ解析とを用いて、特徴抽出を行うことができる。予め決まった非定常波形で励起される起磁性のファントムのd-マイクロOCT画像を得ることができる。TFAを既知の周波数刺激と比較することができ、10%未満のばらつきの場合、これを成功と定義する。 Time-frequency analysis. Short-time Fourier transform (STFT) analysis of (TFA) d-micro-OCT tissue motility signals suggests that the intracellular movements are non-stationary. Thus, the use of TFA may increase the information extractable from d-micro-OCT. The Stockwell transform (ST) can be used, but due to the super-resolution ability of the Stockwell transform at low frequencies, other techniques including STFT, wavelets, Wigner-Ville, constant-Q Gabor transforms, and other time-frequency representations can be used. Possible procedures can be used to improve discrimination. TFA can be applied to the signal after 3D elastic unwarping. Feature extraction can be performed using an energy concentration hybrid classification scheme and time-frequency cluster analysis. A d-micro OCT image of a magnetomotive phantom excited with a predetermined non-stationary waveform can be obtained. TFAs can be compared to known frequency stimuli and are defined as successful if there is less than 10% variability.

機械学習。d-マイクロOCTデータをさらに掘り下げるためには、深層ニューラルネットワーク(NN)を訓練して形態的特徴と機能的特徴とを共にモデリングし、個々の画素を生体学的に関連するカテゴリにグループ分けすることができる時空間表現を学習することができる。その入力は、d-マイクロOCTピリオドグラムと、上記のように取得した一致する組織学的像データセットとすることができ、出力は、二次元の確率論的セグメンテーション画像の系列とすることができ、その1つ1つが関心対象の生体学的カテゴリに対応する。空間的組織コンテキストにおいて動的パターンを共にモデリングすることができるリカレント畳み込みNNと完全畳み込みNNとを使用することができる。モデルを訓練するためには、画素レベルのグランドトゥルースラベルを得るためにグラフィック画像アノテーション方策を用いる教師あり学習手法と半教師あり学習手法の両方を適用することができる。最終的なNNモデルを選択するためには、訓練セットに基づき、多岐にわたる幅広いネットワークアーキテクチャ及びハイパーパラメータに係る多数のモデルを訓練することができる。その後、最適なモデル深度、幅及び解像度を特定するためにホールドアウト検証セットで最良に実行するモデルを選択する。この選択したモデルを評価し、一般化誤差を推定するためには、別個のテストデータセットを使用して、所与の画像についてモデルにより予測されたセマンティックセグメンテーションから導出された定量的測定結果と、既知の細胞/組織種類及び病理状態についての予測される組織学的パターンとを比較することができる。さらに、これにより得られたNN生成単一細胞測定結果を、多変数統計手法と教師なし機械学習とを用いて分析し、細胞の表現型、周波数成分、生死状態及び活性化状態に基づいて当該細胞をクラスタリングすることができる。上記の高次元のデータセットのより低次元の表現(例えばt-SNE、UMAP等)を作成して、可視化や興味対象の部分母集団の発見を容易にすることができる。 machine learning. To dig deeper into the d-micro-OCT data, a deep neural network (NN) is trained to jointly model morphological and functional features, grouping individual pixels into biologically relevant categories. You can learn spatio-temporal expressions that can be used. The input can be the d-micro-OCT periodogram and the matched histological image dataset acquired as described above, and the output can be a sequence of two-dimensional probabilistic segmentation images. , each of which corresponds to a biological category of interest. Recurrent convolutional NNs and fully convolutional NNs that can jointly model dynamic patterns in a spatial organization context can be used. To train the model, we can apply both supervised and semi-supervised learning approaches that use graphic image annotation strategies to obtain pixel-level ground truth labels. Based on the training set, multiple models can be trained on a wide variety of network architectures and hyperparameters to select the final NN model. Then select the model that performs best on the holdout validation set to identify the optimal model depth, width and resolution. To evaluate this selected model and estimate the generalization error, using a separate test data set, quantitative measurements derived from the model-predicted semantic segmentation for a given image; Predicted histological patterns for known cell/tissue types and pathological conditions can be compared. Furthermore, the resulting NN-generated single-cell measurement results were analyzed using multivariable statistical methods and unsupervised machine learning, and the cell phenotype, frequency components, life-and-death state, and activation state were analyzed. Cells can be clustered. Lower-dimensional representations of the above high-dimensional datasets (eg, t-SNE, UMAP, etc.) can be created to facilitate visualization and discovery of subpopulations of interest.

d-マイクロOCTを生体内で実施するための手法の開発及び試験
多平面ビームスキャン二次元の弾性アンワーピングは、面内のバルク運動を補正することはできるが、撮像平面の外に運動したデータを捉えることができない。この問題を軽減するためには、複数の隣り合う横断面平面でd-マイクロOCT画像を取得する新規のビームスキャン技術を開発することができ、3つの次元でレジストレーション及び弾性アンワーピング処理を行うことができる。我々の多平面スキャンの第1の手法は、ビームのラスタディザリングとすることができる(図8、スキャンモード3)。より高周波の情報を保持することが必要になる場合には、空間的にオフセットした複数の面外サンプルビームから、コヒーレンス多重化又は光スイッチングされた画像のd-マイクロOCTイメージング(図8、スキャンモード4)を実施することができる。これらのビームスキャン技術は3D情報を取得するので、このデータを用いて、拡散テンソルMRIと同様の態様で動きベクトルを求めることができる。決定論的なサンプル面外運動を用いて又は用いずに切除組織の3Dアンワーピング処理後の静的画像から得られたd-マイクロOCT結果を、平均二乗誤差、構造的類似指数(SSIM)、又はManderのオーバーラップ係数といった画像比較メトリクス(ICM)を用いて比較することができる。面内運動の場合と面外運動の場合とで周波数成分のばらつきが10%未満であることを、成功と定義することができる。
Development and testing of methods for performing d-micro-OCT in vivo Elastic unwarping of multiplanar beam scanning two dimensions can correct for in-plane bulk motion, but data moved out of the imaging plane cannot be captured. To alleviate this problem, a novel beam scanning technique can be developed that acquires d-micro-OCT images in multiple adjacent transverse planes, performing registration and elastic unwarping processes in three dimensions. be able to. Our first approach to multi-plane scanning can be raster dithering of the beam (Fig. 8, scan mode 3). When it becomes necessary to retain higher frequency information, d-micro OCT imaging of coherence multiplexed or photoswitched images from multiple spatially offset out-of-plane sample beams (Fig. 8, scan mode 4) can be implemented. Since these beam scanning techniques acquire 3D information, this data can be used to determine motion vectors in a manner similar to diffusion tensor MRI. The d-micro-OCT results obtained from static images after 3D unwarping processing of resected tissue with or without deterministic sample out-of-plane motion were calculated as mean squared error, structural similarity index (SSIM), Or they can be compared using an image comparison metric (ICM) such as Mander's overlap coefficient. Success can be defined as less than 10% variation in frequency content for in-plane and out-of-plane motion.

安定化機能付きハンドヘルドd-マイクロOCTプローブ。機械的に安定化して、ベンチトップ顕微鏡を用いて生体内で人間の皮膚のd-マイクロOCT画像を取得することが可能となっている(図15)。d-マイクロOCTを生体内で使用する用途を拡大するため、安定化技術が組み込まれた15mm径のハンドヘルドd-マイクロOCTプローブを紹介する。これは、皮膚科用及び外科手術用の撮像外表面に適用可能である。このプローブは、長い取得時間及びサブマイクロメータ精度に関連する問題を解消するための特殊な構成とすることができる。ビームスキャンは、反復可能なビーム走査パターンを生成できるMEMS及び/又はマイクロガルバノメータ技術を用いて行うことができ、これには、標準的なイメージング(図8、スキャンモード1)、高周波数イメージング(図8、スキャンモード2)、及び多平面イメージング(図8、スキャンモード3及び4)を含む。このプローブは、機械的な安定化技術や吸引式安定化技術を組み込み、アクティブ画像フィードバック及びビームスキャナ制御を実施し、例えば心臓、呼吸及び/又は蠕動サイクル等の生理学的条件に通じる(gated)パターンを走査することができる。 Handheld d-micro OCT probe with stabilization. It has been possible to acquire mechanically stabilized d-micro OCT images of human skin in vivo using a benchtop microscope (Fig. 15). To expand the in vivo use of d-micro OCT, we introduce a 15 mm diameter handheld d-micro OCT probe with built-in stabilization technology. This is applicable to dermatological and surgical imaging external surfaces. The probe can be specially configured to overcome problems associated with long acquisition times and sub-micrometer accuracy. Beam scanning can be performed using MEMS and/or microgalvanometer technology capable of producing repeatable beam scanning patterns, including standard imaging (Fig. 8, scan mode 1), high frequency imaging (Fig. 8, scan mode 2), and multiplanar imaging (FIG. 8, scan modes 3 and 4). The probe incorporates mechanical and aspiration stabilization techniques, implements active image feedback and beam scanner control, and patterns gated to physiological conditions such as cardiac, respiratory and/or peristaltic cycles. can be scanned.

上記のハンドヘルドd-マイクロOCTプローブを開発した後、生体内で皮膚画像を取得するために上記技術を使用することの実現可能性を、臨床パイロット研究で試験することができる。この臨床パイロット研究では、患者(例えば、n=10:男性5人/女性5人)に選択的病変切除を行う。病変の3Dイメージングを、切除前に生体内で行うことができる。切除後、検体を媒質に入れ、ベンチトップd-マイクロOCTシステムを用いて生体外で再度3D撮像することができる。その後、上記の切除物を、治療標準に従い病理に送ることができる。生体内で得られた人間の皮膚のd-マイクロOCT画像は、周波数依存のICMを用いて生体外で取得された画像と比較することができる。生体内画像と、これに対応する生体外画像との相関が0.9であると仮定すると、検出力0.8及びα=0.05で統計的有意性を得ることができる。 After developing the handheld d-micro OCT probe described above, the feasibility of using the technique to acquire skin images in vivo can be tested in a clinical pilot study. In this clinical pilot study, patients (eg, n=10: 5 males/5 females) undergo elective lesion resection. 3D imaging of lesions can be performed in vivo prior to resection. After resection, the specimen can be placed in media and 3D imaged again ex vivo using a benchtop d-micro OCT system. The resection can then be sent to pathology according to standard of care. d-Micro OCT images of human skin obtained in vivo can be compared with images obtained ex vivo using frequency-dependent ICM. Assuming a correlation of 0.9 between the in vivo image and the corresponding ex vivo image, statistical significance can be obtained with a power of 0.8 and α=0.05.

本願開示の他の一実施形態はデュアルビーム位相検知d-マイクロOCT(DBPS-d-マイクロOCT)システムであり、これは、ハンドヘルドプローブ又は内視鏡プローブとして、生体内又は生体外イメージングに用いることができる。1回の走査で運動性情報を得ることは、運動の存在下でビームをマイクロメータレベルの高精度で制御することが困難であるため同一箇所を連続撮像することが困難である、小径の内視鏡プローブで生きた内部器官のイメージングのために重要であり、所定の期間にわたってサンプル内の同一位置から反射された光の位相変化を測定することにより、細胞内運動を1回のスキャンで評価できる可能性が出てくる(図8、スキャンモード5)。実施の際には、2つの空間的にオフセットしたマイクロOCT撮像ビーム(図17)を用いて、同一箇所の2つの位相分解したマイクロOCT画像を取得することができる。これら2つのマイクロOCT画像はΔt=d/vだけ離れており、ここでvはスキャンの速度であり、dは2つのビームの空間的オフセットである。図17は、内視鏡の付属ポート内で展開するように構成された可撓性プローブに取り付けられた状態のデュアルビーム位相検知d-マイクロOCT(DBPS-d-マイクロOCT)システムの模式図である。20~30倍のDOF拡張によりビームを2μm径に集束させる2つのマイクロOCTファイバベースの光学アセンブリ(SMF、MMF、GRIN、プリズム)を、直線移動する駆動軸に機械的に結合することができ、この駆動軸は、プローブの2mm径の外部シース内に入れることができる。光学アセンブリのビームは透明な窓から出射することができ、この光学アセンブリの焦点は、サンプルにおいてdだけ互いに離間することができる。サンプルアームに高速光ファイバスイッチを備えたファイバベースのマイケルソン干渉計により、1つの分光検出ユニットでデュアルビームマイクロOCTイメージングを可能にすることができる。各光学アセンブリのビームによって生成される各個々のマイクロOCT画像は、交互のAラインからの画像とすることができ、例えば、アセンブリ1により生成される画像は奇数のAラインからの画像とし、アセンブリ2の画像は偶数のAラインから作成することができる。この構成は、撮像速度を半分にしつつ、使用される検出ユニットを1つにすることで位相ドリフトを無くすことができ、位相安定性を大幅に向上させることができる。d-マイクロOCT画像は位相差分画像(x,y,Δt)として算出されることができ、ナノメータレベルの変位を検出することができる。典型的な値として、スキャン範囲2mm、d=1mm、Aラインレート20kHz、毎マイクロメータAスキャン数1の場合、サンプリングによってΔt=25msで1mmの長さのd-マイクロOCT画像を得ることができる。感度が90dB、推定位相安定性が-3mradであるとすると(静止ミラーをサンプルとする)、DBPS-d-マイクロOCTは-2nm程度の変位を検出できるはずであり(これは、組織内のラテラルスキャンの場合-30mradの位相安定性に相当する)、これにより、従来の手法を用いて1000個の画像を取得した場合と同じ周波数分解能を1つの画像で提供することができる。周波数分解能の上記のような3桁の増加は、SDOCTの優れた位相感度によって可能となる。注目すべき点は、この周波数分解能の改善を生体外サンプルに活用できることである。切除した上部胃腸組織のDBPS-d-マイクロOCTと、周波数依存ICMを用いて同じ上部胃腸組織の従来の(スキャンモード1)d-マイクロOCTとを比較することにより、検証を行うことができる。周波数/サンプルの一致のばらつきが10%未満であることを、成功と定義することができる。 Another embodiment of the present disclosure is a dual-beam phase-sensitive d-micro OCT (DBPS-d-micro OCT) system, which can be used as a handheld or endoscopic probe for in-vivo or ex-vivo imaging. can be done. It is difficult to obtain motility information in a single scan, because it is difficult to control the beam with micrometer-level precision in the presence of motion, and continuous imaging of the same location is difficult. Important for the imaging of living internal organs with endoscopic probes, intracellular movements are assessed in a single scan by measuring the phase change of light reflected from the same location within the sample over a given period of time. There is a possibility that it can be done (Fig. 8, scan mode 5). In practice, two spatially offset micro-OCT imaging beams (FIG. 17) can be used to acquire two phase-resolved micro-OCT images of the same site. These two micro-OCT images are separated by Δt=d/v, where v is the speed of the scan and d is the spatial offset of the two beams. FIG. 17 is a schematic illustration of a dual-beam phase-sensing d-micro OCT (DBPS-d-micro OCT) system attached to a flexible probe configured for deployment within an accessory port of an endoscope; be. Two micro-OCT fiber-based optical assemblies (SMF, MMF, GRIN, prism) that focus the beam to a 2 μm diameter with 20-30× DOF expansion can be mechanically coupled to the linearly moving drive shaft, The drive shaft can be contained within the 2 mm diameter outer sheath of the probe. The beam of the optical assembly may exit through a transparent window, and the focal points of the optical assembly may be separated from each other by d at the sample. A fiber-based Michelson interferometer with a high-speed fiber optic switch in the sample arm can enable dual-beam micro-OCT imaging in one spectroscopic detection unit. Each individual micro-OCT image produced by the beams of each optical assembly may be images from alternating A-lines, e.g., images produced by assembly 1 may be images from odd A-lines and assembly 2 images can be created from an even number of A-lines. This configuration can eliminate phase drift by using only one detection unit while halving the imaging speed, and can greatly improve phase stability. A d-micro OCT image can be computed as a phase-difference image (x, y, Δt) and nanometer-level displacements can be detected. As typical values, for a scan range of 2 mm, d=1 mm, an A-line rate of 20 kHz, and an A-scan of 1 per micrometer, sampling can yield d-micro-OCT images of length 1 mm at Δt=25 ms. . Assuming a sensitivity of 90 dB and an estimated phase stability of −3 mrad (a stationary mirror is sampled), DBPS-d-microOCT should be able to detect displacements on the order of −2 nm (which is equivalent to lateral for the scan—corresponding to a phase stability of 30 mrad), which allows one image to provide the same frequency resolution as 1000 images acquired using conventional techniques. This three orders of magnitude increase in frequency resolution is made possible by the superior phase sensitivity of SDOCT. It should be noted that this frequency resolution improvement can be exploited for ex vivo samples. Verification can be performed by comparing DBPS-d-micro OCT of resected upper gastrointestinal tissue with conventional (scan mode 1) d-micro OCT of the same upper gastrointestinal tissue using frequency dependent ICM. Success can be defined as a frequency/sample match variation of less than 10%.

DBPSプローブは、上部内視鏡検査を受ける患者の内視鏡d-マイクロOCT生体内画像を得るために使用できる可能性がある。ビデオ内視鏡により観察される正常領域及び異常(例えばバレット粘膜等)は、本願発明者により行われた以前の研究と同様に、臨床医によって、内視鏡の付属チャネルに挿入されたDBPSプローブを用いることにより特定され、d-マイクロOCTにより生体内撮像されることができる。 The DBPS probe could potentially be used to obtain endoscopic d-micro-OCT in-vivo images of patients undergoing upper endoscopy. Normal areas and abnormalities (e.g., Barrett's mucosa) observed by video endoscopy were observed by the clinician with a DBPS probe inserted into the endoscope's accessory channel, similar to previous studies conducted by the present inventors. and can be imaged in vivo by d-micro-OCT.

コンピュータシステム及び処理
図18を参照すると、本願開示の主題の一部の実施形態の生体組織から画像データ及び機能データを得るためのシステムの一例1800(例えばデータ収集処理システム等)を示している。一部の実施形態では、生体組織から画像データ及び機能データを取得するためのシステム1804の少なくとも一部を計算機1810が実行して、干渉計1802に制御信号を供給することができる。追加的又は代替的に、一部の実施形態では、計算機1810は通信ネットワーク1806を介してサーバ1820との間で上記の制御信号に関する情報をやりとりすることができ、通信ネットワーク1806は、生体組織から画像データ及び機能データを取得するためのシステム1804の少なくとも一部を実行することができる。上記の一部の実施形態では、サーバ1820は、生体組織1804から画像データ及び機能データを取得するための制御信号に関する情報を計算機1810(及び/又は他の適切な計算機)に戻すことができる。この情報はユーザ(例えば研究者、オペレータ、臨床医等)に転送及び/若しくは提示することができ、並びに/又は、(例えば研究データベース又は被検体に関連付けられたカルテの一部等として)記憶することができる。
Computer System and Processing Referring to FIG. 18, an example system 1800 (eg, data acquisition and processing system, etc.) for obtaining image and functional data from living tissue is shown in accordance with some embodiments of the presently disclosed subject matter. In some embodiments, computer 1810 can execute at least a portion of system 1804 for acquiring image and functional data from biological tissue and provide control signals to interferometer 1802 . Additionally or alternatively, in some embodiments, computing device 1810 can exchange information regarding the above control signals with server 1820 via communication network 1806, which communicates information from living tissue. At least a portion of system 1804 for acquiring image data and functional data can be implemented. In some embodiments described above, server 1820 may return information to computer 1810 (and/or other suitable computers) regarding control signals for obtaining image data and functional data from anatomy 1804 . This information can be transferred and/or presented to a user (e.g., researcher, operator, clinician, etc.) and/or stored (e.g., as part of a research database or chart associated with the subject). be able to.

一部の実施形態では、計算機1810及び/又はサーバ1820は任意の適切な計算機又は複数の計算機の組み合わせとすることができ、例えばデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、スマートフォン、タブレットコンピュータ、ウェアラブルコンピュータ、サーバコンピュータ、物理的な計算機により実行される仮想マシン等とすることができる。上記の通り、生体組織から画像データ及び機能データを取得するためのシステム1804は制御信号に関する情報をユーザ(例えば研究者及び/又は医師)に提示することができる。一部の実施形態では、干渉計1802は、図1に示されている装置等の装置を備えることができる。 In some embodiments, computer 1810 and/or server 1820 may be any suitable computer or combination of computers, such as desktop computers, laptop computers, smart phones, tablet computers, wearable computers, server computers. , a virtual machine run by a physical computer, or the like. As described above, the system 1804 for acquiring image data and functional data from biological tissue can present information regarding control signals to a user (eg, researcher and/or physician). In some embodiments, interferometer 1802 can comprise a device such as the device shown in FIG.

一部の実施形態では、通信ネットワーク1806は任意の適切な1つの通信ネットワーク又は通信ネットワークの任意の適切な組み合わせとすることができる。例えば通信ネットワーク1806は、WiFi(登録商標)ネットワーク(1つ以上の無線ルータ、1つ以上のスイッチ等を含み得る)、ピア・ツー・ピア・ネットワーク(例えばブルートゥースネットワーク等)、携帯電話網(例えば3Gネットワーク、4Gネットワーク等、CDMA、GSM、LTE、LTE Advanced、WiMAX(登録商標)等の任意の適切な規格に準拠したもの)、有線ネットワーク等を含むことができる。一部の実施形態では、通信ネットワーク1806はローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、公共ネットワーク(例えばインターネット等)、プライベート若しくは半プライベートネットワーク(例えば企業若しくは大学イントラネット)、任意の他の適切な種類のネットワーク、又はネットワーク任意の適切な組み合わせとすることができる。図18に示す通信リンクはそれぞれ、有線リンク、光ファイバリンク、WiFiリンク、ブルートゥースリンク、携帯電話リンク等の任意の適切な1つの通信リンク又は通信リンクの任意の適切な組み合わせとすることができる。 In some embodiments, communication network 1806 may be any suitable single communication network or any suitable combination of communication networks. For example, communication network 1806 may be a WiFi network (which may include one or more wireless routers, one or more switches, etc.), a peer-to-peer network (eg, Bluetooth network, etc.), a cellular network (eg, 3G networks, 4G networks, etc., compliant with any suitable standard such as CDMA, GSM, LTE, LTE Advanced, WiMAX, etc.), wired networks, and the like. In some embodiments, communication network 1806 is a local area network, a wide area network, a public network (such as the Internet), a private or semi-private network (such as a corporate or university intranet), any other suitable type of network; or any suitable combination of networks. Each of the communication links shown in FIG. 18 may be any suitable one or any suitable combination of communication links, such as a wired link, fiber optic link, WiFi link, Bluetooth link, cellular link, or the like.

図19は、本願開示の主題の一部の実施形態の計算機1810及びサーバ1820を具現化するために使用可能なハードウェアの一例1900を示す図である。図19に示すように、いくつかの実施形態では、計算機1810は、プロセッサ1902、表示部1904、1つ又は複数の入力1906、1つ又は複数の通信システム1908、及び/又はメモリ1910を含むことができる。一部の実施形態ではハードウェアプロセッサ1902は、例えば中央処理装置、グラフィック処理装置等の任意の適切な1つのハードウェアプロセッサ又はハードウェアプロセッサの組み合わせとすることができる。一部の実施形態では表示部1904は、例えばコンピュータモニタ、タッチスクリーン、テレビ受像機等の任意の適切な表示装置を備えることができる。一部の実施形態では入力部1906は、ユーザ入力を受け取るために使用できる例えばキーボード、マウス、タッチスクリーン、マイクロフォン等の任意の適切な入力装置及び/若しくはセンサを備えることができる。 FIG. 19 is a diagram illustrating example hardware 1900 that can be used to implement computer 1810 and server 1820 of some embodiments of the disclosed subject matter. As shown in FIG. 19, in some embodiments, calculator 1810 includes processor 1902, display 1904, one or more inputs 1906, one or more communication systems 1908, and/or memory 1910. can be done. In some embodiments, hardware processor 1902 may be any suitable hardware processor or combination of hardware processors, such as a central processing unit, graphics processing unit, and the like. In some embodiments, display 1904 may comprise any suitable display device, such as a computer monitor, touch screen, television, or the like. In some embodiments, input 1906 may comprise any suitable input device and/or sensors that can be used to receive user input, such as a keyboard, mouse, touch screen, microphone, and/or the like.

一部の実施形態では、通信システム1908は、通信ネットワーク1806及び/又は他の任意の適切な通信ネットワークを介して情報を通信するための任意の適切なハードウェア、ファームウェア、及び/又はソフトウェアを含むことができる。例えば通信システム1908は、1つ以上の送受信器、1つ以上の通信チップ、及び/又は1つ以上の通信チップセット等を備えることができる。より具体的な一例では、通信システム1908は、WiFi接続、ブルートゥース(Bluetooth、登録商標)接続、携帯電話接続、イーサネット接続等を確立するために使用できるハードウェア、ファームウェア及び/又はソフトウェアを含むことができる。 In some embodiments, communication system 1908 includes any suitable hardware, firmware and/or software for communicating information over communication network 1806 and/or any other suitable communication network. be able to. For example, communication system 1908 can include one or more transceivers, one or more communication chips, and/or one or more communication chipset, and/or the like. In one more specific example, communication system 1908 can include hardware, firmware and/or software that can be used to establish WiFi connections, Bluetooth® connections, cellular connections, Ethernet connections, and the like. can.

一部の実施形態ではメモリ1910は、命令、値等を記憶するために使用できる1つ又は複数の任意の適切な記憶装置を含むことができ、当該命令、値等は例えば、プロセッサ1902が表示部1904を用いてコンテンツを提示するため、(1つ又は複数の)通信システム1908を介してサーバ1820と通信するため等に使用できるものである。メモリ1910は、任意の適切な揮発性メモリ、不揮発性メモリ、記憶部、任意の他の適切な種類の記憶媒体、又はこれらの任意の適切な組み合わせを含むことができる。例えばメモリ1910は、RAM、ROM、EEPROM、1つ以上のフラッシュドライブ、1つ以上のハードディスク、1つ以上のソリッドステートドライブ、1つ以上の光学ドライブ等を含むことができる。一部の実施形態ではメモリ1910は、計算機1810の動作を制御するためのコンピュータプログラムを符号化したものを有することができる。かかる実施形態ではプロセッサ1902は、コンテンツ(例えば画像、ユーザインタフェース、グラフィック、テーブル等)の提示、サーバ1820からのコンテンツの受信、サーバ1820への情報の転送等を行うようにコンピュータプログラムの少なくとも一部を実行することができる。 In some embodiments, memory 1910 may include any suitable storage device(s) that may be used to store instructions, values, etc., which may be displayed by processor 1902, for example. It can be used to present content using the portion 1904, to communicate with the server 1820 via the communication system(s) 1908, and so on. Memory 1910 may include any suitable volatile memory, non-volatile memory, storage, any other suitable type of storage medium, or any suitable combination thereof. For example, memory 1910 can include RAM, ROM, EEPROM, one or more flash drives, one or more hard disks, one or more solid state drives, one or more optical drives, and the like. In some embodiments, memory 1910 may contain encoded computer programs for controlling the operation of computer 1810 . In such embodiments, processor 1902 executes at least a portion of a computer program to present content (eg, images, user interfaces, graphics, tables, etc.), receive content from server 1820, transfer information to server 1820, etc. can be executed.

一部の実施形態ではサーバ1820は、プロセッサ1912、表示部1914、1つ以上の入力部1916、1つ以上の通信システム1918、及び/又はメモリ1920を備えることができる。一部の実施形態ではハードウェアプロセッサ1912は、例えば中央処理装置、グラフィック処理装置等の任意の適切な1つのハードウェアプロセッサ又はハードウェアプロセッサの組み合わせとすることができる。一部の実施形態では表示部1914は、例えばコンピュータモニタ、タッチスクリーン、テレビ受像機等の任意の適切な表示装置を備えることができる。一部の実施形態では入力部1916は、ユーザ入力を受け取るために使用できる例えばキーボード、マウス、タッチスクリーン、マイクロフォン等の任意の適切な入力装置及び/若しくはセンサを備えることができる。 In some embodiments, server 1820 may comprise processor 1912 , display 1914 , one or more inputs 1916 , one or more communication systems 1918 , and/or memory 1920 . In some embodiments, hardware processor 1912 may be any suitable hardware processor or combination of hardware processors, such as a central processing unit, graphics processing unit, and the like. In some embodiments, display 1914 may comprise any suitable display device, such as a computer monitor, touch screen, television, or the like. In some embodiments, input 1916 may comprise any suitable input device and/or sensors that can be used to receive user input, such as a keyboard, mouse, touch screen, microphone, and/or the like.

一部の実施形態では、通信システム1918は、通信ネットワーク1806及び/又は他の任意の適切な通信ネットワークを介して情報を通信するための任意の適切なハードウェア、ファームウェア、及び/又はソフトウェアを含むことができる。例えば通信システム1918は、1つ以上の送受信器、1つ以上の通信チップ、及び/又は1つ以上の通信チップセット等を備えることができる。より具体的な一例では、通信システム1918は、WiFi接続、ブルートゥース(Bluetooth、登録商標)接続、携帯電話接続、イーサネット接続等を確立するために使用できるハードウェア、ファームウェア及び/又はソフトウェアを含むことができる。 In some embodiments, communication system 1918 includes any suitable hardware, firmware and/or software for communicating information over communication network 1806 and/or any other suitable communication network. be able to. For example, communication system 1918 can include one or more transceivers, one or more communication chips, and/or one or more communication chipset, and/or the like. In one more specific example, communication system 1918 can include hardware, firmware and/or software that can be used to establish WiFi connections, Bluetooth® connections, cellular connections, Ethernet connections, and the like. can.

一部の実施形態ではメモリ1920は、命令、値等を記憶するために使用できる1つ又は複数の任意の適切な記憶装置を含むことができ、当該命令、値等は例えば、プロセッサ1912が表示部1914を用いてコンテンツを提示するため、1つ又は複数の計算機1810と通信するため等に使用できるものである。メモリ1920は、任意の適切な揮発性メモリ、不揮発性メモリ、記憶部、任意の他の適切な種類の記憶媒体、又はこれらの任意の適切な組み合わせを含むことができる。例えばメモリ1920は、RAM、ROM、EEPROM、1つ以上のフラッシュドライブ、1つ以上のハードディスク、1つ以上のソリッドステートドライブ、1つ以上の光学ドライブ等を含むことができる。一部の実施形態ではメモリ1920は、サーバ1820の動作を制御するためのサーバプログラムを符号化したものを有することができる。かかる実施形態ではプロセッサ1912は、1つ又は複数の計算機1810に情報及び/又はコンテンツ(例えば組織識別及び/又は分類の結果、ユーザインタフェース等)を転送するため、1つ又は複数の計算機1810から情報及び/又はコンテンツを受信するため、1つ又は複数のデバイス(例えばパーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、スマートフォン等)から指令を受信するため等に、上記のサーバプログラムの少なくとも一部を実行することができる。 In some embodiments, memory 1920 can include any suitable storage device(s) that can be used to store instructions, values, etc., which can be displayed by processor 1912, for example. It can be used to present content using unit 1914, to communicate with one or more computing devices 1810, and the like. Memory 1920 may include any suitable volatile memory, non-volatile memory, storage, any other suitable type of storage medium, or any suitable combination thereof. For example, memory 1920 can include RAM, ROM, EEPROM, one or more flash drives, one or more hard disks, one or more solid state drives, one or more optical drives, and the like. In some embodiments, memory 1920 may contain encoded server programs for controlling the operation of server 1820 . In such embodiments, processor 1912 processes information from one or more computers 1810 to transfer information and/or content (eg, tissue identification and/or classification results, user interface, etc.) to one or more computers 1810 . and/or execute at least a portion of such server programs to receive content, such as to receive commands from one or more devices (e.g., personal computers, laptop computers, tablet computers, smart phones, etc.); be able to.

一部の実施形態では、本願にて記載されている機能及び/又は処理を実行するための指令を記憶するために、任意の適切なコンピュータ可読媒体を用いることができる。例えば、一部の実施形態ではコンピュータ可読媒体は一時的又は非一時的とすることができる。例えば非一時的なコンピュータ可読媒体は、磁気媒体(例えばハードディスク、フロッピーディスク等)、光学ディスク(例えばコンパクトディスク、デジタルビデオディスク、ブルーレイ(Blu-ray、登録商標)ディスク等)、半導体媒体(例えばRAM、フラッシュメモリ、電気的プログラマブルリードオンリーメモリ(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ(EEPROM))、転送中に永続性のいかなる形も抜け落ちることなくまた欠けてもいない任意の適切な媒体、及び/又は任意の適切な有形の媒体等の媒体を含むことができる。他の一例として、一時的なコンピュータ可読媒体は、ネットワーク上、ワイヤ、導体、光ファイバ、回路、若しくは、転送中に永続性のいかなる形も抜け落ちることなくまた欠けてもいない任意の適切な媒体、及び/又は任意の適切な無形媒体上の信号を含むことができる。 In some embodiments, any suitable computer-readable medium may be used for storing instructions for performing the functions and/or processes described herein. For example, in some embodiments computer readable media may be transitory or non-transitory. For example, non-transitory computer-readable media include magnetic media (e.g., hard disks, floppy disks, etc.), optical discs (e.g., compact discs, digital video discs, Blu-ray (registered trademark) discs, etc.), semiconductor media (e.g., RAM , flash memory, electrically programmable read-only memory (EPROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM)), any suitable medium that does not lose or lack any form of permanence during transfer; and/or may include a medium such as any suitable tangible medium. As another example, a transitory computer-readable medium may be a wire, conductor, fiber optic, circuit, or any suitable medium that does not drop or lack any form of permanence in transit over a network; and/or may include a signal on any suitable intangible medium.

本願でいう「メカニズム」との用語は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの任意の適切な組み合わせを含み得ることに留意すべきである。 It should be noted that the term "mechanism" as used herein may include hardware, software, firmware, or any suitable combination thereof.

図20は、本願開示の主題の一部の実施形態の生体組織から画像データ及び機能データを得るためのプロセスの一例2000を示す図である。図20に示すように、処理2000は2002において、複数の時点において撮像平面に沿って、生体組織が参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得することができる。干渉情報は、干渉計を使用して取得することができる。処理2000は2004において、干渉情報を処理して撮像平面に沿った生体組織の形態画像を生成することができる。この処理は、干渉計から干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサを用いて行うことができる。処理2000は2006において、干渉情報の複数の時点に基づき、周波数情報を求めることができる。この周波数情報は、プロセッサを用いて求めることができる。周波数情報は、生体組織の力学的機能により引き起こされた時間変調を反映することができる。処理2000は2008において、周波数情報と形態画像との空間マップを求めることができる。この空間マップは、プロセッサを用いて求めることができる。周波数情報の空間マップは、生体組織の力学的機能を示すことができる。最後に、処理2000は2010において、前記空間マップの特定に基づいてレポートを生成することができる。レポートは、プロセッサを使用して生成することができる。 FIG. 20 illustrates an example process 2000 for obtaining image and functional data from living tissue of some embodiments of the disclosed subject matter. As shown in FIG. 20, process 2000 can acquire interference information at 2002 based on radiation provided by interference of living tissue with a reference along an imaging plane at multiple times. Interference information can be obtained using an interferometer. At 2004, the process 2000 can process the interference information to generate a morphological image of the anatomy along the imaging plane. This processing can be performed using a processor configured to receive interference information from the interferometer. At 2006, process 2000 can determine frequency information based on the multiple points in time of the interference information. This frequency information can be determined using a processor. Frequency information can reflect temporal modulation caused by the mechanical function of living tissue. At 2008, the process 2000 can determine a spatial map of the frequency information and the morphological image. This spatial map can be determined using a processor. A spatial map of frequency information can indicate the mechanical function of living tissue. Finally, process 2000 can generate a report at 2010 based on the identification of the spatial map. A report can be generated using the processor.

図20の処理の上記の各ステップは、図面に示された順序やシーケンス又は記載された順序やシーケンスに限定することなく、任意の順序又はシーケンスで実行又は実施できると解すべきである。また、図20の処理の上記ステップの中には、適切な場合には実質的に同時に実行若しくは実施し、又はレイテンシーや処理時間を削減するために並列実行若しくは実施できるものもある。 It should be understood that the above steps of the process of FIG. 20 can be performed or performed in any order or sequence, without being limited to the order or sequence shown or described. Also, some of the above steps of the process of FIG. 20 may be performed or performed substantially concurrently, where appropriate, or may be performed or performed in parallel to reduce latency or processing time.

特定の実施形態では、本願に開示されているどの処理のステップも、プロセッサに当該処理を実行させる指令を格納したメモリと通信するプロセッサを用いて実行することができる。一部の実施形態では、メモリは、本願にて記載されている機能及び/又は処理を実行するための指令を記憶するために使用可能である任意の適切なコンピュータ可読媒体を含むことができる。例えば、一部の実施形態ではコンピュータ可読媒体は一時的又は非一時的とすることができる。 In certain embodiments, the steps of any process disclosed herein can be performed using a processor in communication with a memory containing instructions that cause the processor to perform the process. In some embodiments, memory may include any suitable computer-readable medium usable for storing instructions for performing the functions and/or processes described herein. For example, in some embodiments computer readable media may be transitory or non-transitory.

上記では特定の実施形態及び事例を参照して本願開示の主題を説明したが、当業者であれば本発明は必ずしもそのように限定する必要はなく、数多くの他の実施形態、例、使用、改良形態、並びに上記実施形態、例及び使用からの派生形態も、添付の特許請求の範囲に含まれることを意図していることが明らかである。ここで引用した各特許及び公開物の開示内容は全て参照により、かかる特許及び公開物が個別に参照により本願の開示内容に含まれている場合と同様、本願の開示内容に含まれる。 Although the subject matter of the present disclosure has been described above with reference to specific embodiments and examples, those skilled in the art will appreciate that the invention need not be so limited and that numerous other embodiments, examples, uses, It is clear that modifications and derivatives from the above embodiments, examples and uses are also intended to be covered by the appended claims. The entire disclosure of each patent and publication cited herein is incorporated by reference into this disclosure, as if each such patent or publication were individually incorporated by reference into this disclosure.

本発明の種々の特徴及び利点は、添付のクレームに記載されている。 Various features and advantages of the invention are set forth in the appended claims.

Claims (58)

生体サンプルから画像データ及び機能データを得るための装置であって、
複数の時点において撮像平面に沿って、前記生体サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得するように構成された干渉計であって、前記撮像平面の少なくとも1つの軸は、深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸である干渉計と、
前記干渉計から前記干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサと、
を備えており、
前記プロセッサは、
前記干渉情報を処理して前記撮像平面に沿った前記生体サンプルの画像を生成し、
前記干渉情報の前記複数の時点に基づき、前記生体サンプルの力学的機能により引き起こされた時間変調を反映した周波数情報を求め、
前記生体サンプルの前記力学的機能を示す前記周波数情報の空間マップを生成する
ように構成されていることを特徴とする装置。
An apparatus for obtaining image data and functional data from a biological sample, comprising:
An interferometer configured to acquire interference information based on radiation provided by interference of the biological sample with a reference at a plurality of time points along an imaging plane, wherein at least one axis of the imaging plane. is an interferometer whose axis is at least partially along the depth dimension or the axial dimension;
a processor configured to receive the interference information from the interferometer;
and
The processor
processing the interference information to generate an image of the biological sample along the imaging plane;
determining frequency information reflecting temporal modulation induced by a mechanical function of the biological sample based on the plurality of time points of the interference information;
A device configured to generate a spatial map of said frequency information indicative of said mechanical function of said biological sample.
前記プロセッサは、前記周波数情報を求める際にさらに、
前記生体サンプルの前記力学的機能によって引き起こされた前記干渉情報の時間的変動を特定する
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
When obtaining the frequency information, the processor further:
configured to identify temporal variations in the interferometric information caused by the mechanical function of the biological sample;
Apparatus according to claim 1.
前記プロセッサは、前記時間的変動を特定する際にさらに、
前記生体サンプルの細胞内運動により生じた変動を特定するために前記時間的変動のパワー周波数解析を行う
ように構成されている、
請求項2記載の装置。
When identifying the temporal variation, the processor further includes:
configured to perform a power frequency analysis of the temporal variations to identify variations caused by intracellular motion of the biological sample;
3. Apparatus according to claim 2.
前記画像は複数の部分領域を有し、
前記プロセッサはさらに、前記複数の部分領域のうち少なくとも1つについて前記パワー周波数解析を個別に行うように構成されている、
請求項3記載の装置。
the image has a plurality of sub-regions,
The processor is further configured to individually perform the power frequency analysis for at least one of the plurality of sub-regions.
4. Apparatus according to claim 3.
前記干渉計はさらに、少なくとも24時間の縦断的調査中の複数の時点において前記干渉情報を取得するように構成されており、
前記プロセッサはさらに、前記縦断的調査中に前記生体サンプルの力学的機能を追跡するように構成されている、
請求項4記載の装置。
the interferometer is further configured to acquire the interference information at multiple time points during a longitudinal study of at least 24 hours;
The processor is further configured to track mechanical function of the biological sample during the longitudinal study.
5. Apparatus according to claim 4.
前記縦断的調査中に前記生体サンプルに薬物を適用する、
請求項5記載の装置。
applying a drug to the biological sample during the longitudinal study;
6. Apparatus according to claim 5.
前記薬物は化学療法薬物である、
請求項6記載の装置。
said drug is a chemotherapeutic drug;
7. Apparatus according to claim 6.
前記プロセッサはさらに、信号の周波数成分を数値化するために周波数スペクトルのエントロピーを求めるように構成されている、
請求項2記載の装置。
The processor is further configured to determine the entropy of the frequency spectrum to quantify the frequency content of the signal.
3. Apparatus according to claim 2.
前記干渉計はマイクロOCTシステムの一部である、
請求項1記載の装置。
the interferometer is part of a micro-OCT system;
Apparatus according to claim 1.
前記マイクロOCTシステムは前記干渉情報のラテラル方向の解像度を少なくとも2μm又はアキシャル方向の解像度を少なくとも1μmとする、
請求項9記載の装置。
wherein the micro-OCT system provides a lateral resolution of at least 2 μm or an axial resolution of at least 1 μm of the interferometric information;
10. Apparatus according to claim 9.
前記生体サンプルは生体内サンプルである、
請求項1記載の装置。
said biological sample is an in vivo sample;
Apparatus according to claim 1.
前記干渉情報はマイクロOCTフレームであり、
前記プロセッサは、前記干渉情報を処理して前記撮像平面に沿った前記生体サンプルの画像を生成する際に、さらに、
前記マイクロOCTフレームに局所正規化及びガウシアンフィルタ処理を施して処理済みフレームを生成し、
中心のフレームを参照として、前記各処理済みフレームについて弾性アンワーピング変換マトリクスを計算し、
前記変換マトリクスを前記マイクロOCTフレームに適用する
ように構成されている、
請求項1から11までのいずれか1項記載の装置。
the interference information is a micro OCT frame;
The processor, when processing the interference information to generate an image of the biological sample along the imaging plane, further comprising:
subjecting the micro-OCT frame to local normalization and Gaussian filtering to produce a processed frame;
calculating an elastic unwarping transformation matrix for each of said processed frames with reference to the center frame;
configured to apply the transform matrix to the micro-OCT frames;
Device according to any one of claims 1 to 11.
スキャンレートでスキャンするように構成されたガルバノメータをさらに備えており、
前記干渉計は、前記干渉情報を取得する際にさらに、
関心領域において撮像ビームをラテラル方向に繰り返し走査することにより、前記ガルバノメータのスキャンレートによって定められる周波数で前記干渉情報を取得する
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
further comprising a galvanometer configured to scan at the scan rate,
When acquiring the interference information, the interferometer further:
configured to acquire the interference information at a frequency determined by a scan rate of the galvanometer by repeatedly scanning an imaging beam laterally in a region of interest;
Apparatus according to claim 1.
前記干渉計は、前記干渉情報を取得する際にさらに、
ラテラル方向の関心領域において撮像ビームを複数のスキャンでステップ状に横断させ、
前記複数の各スキャン中に前記ラテラル方向の関心領域において等間隔の位置で停止することにより、Aラインレートにより定まるレートでAラインの系列を取得する
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
When acquiring the interference information, the interferometer further:
stepping an imaging beam across a lateral region of interest in multiple scans;
configured to acquire a series of A-lines at a rate determined by the A-line rate by stopping at equally spaced positions in the lateral region of interest during each of the plurality of scans;
Apparatus according to claim 1.
前記プロセッサはさらに、
ラテラル方向シフトの量を測定するために少なくとも2つの画像フレーム間の相互相関を求め、
前記ラテラル方向シフトを補正するために前記少なくとも2つの画像フレームに画像レジストレーションアルゴリズムを適用する
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
The processor further:
obtaining a cross-correlation between at least two image frames to measure the amount of lateral shift;
configured to apply an image registration algorithm to the at least two image frames to correct for the lateral shift;
Apparatus according to claim 1.
前記干渉計はマイクロOCTシステムの一部であり、
前記プロセッサは、前記干渉情報を処理して前記生体サンプルの画像を生成する際に、さらに、
アキシャル方向におけるマイクロOCT強度の深度依存の減衰を補正する
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
said interferometer being part of a micro-OCT system;
The processor, when processing the interference information to generate an image of the biological sample, further comprising:
configured to correct for depth-dependent attenuation of micro-OCT intensity in the axial direction;
Apparatus according to claim 1.
前記プロセッサは、前記周波数情報を求める際にさらに、
前記複数の時点のサブセットについて前記周波数情報を求める
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
When obtaining the frequency information, the processor further:
configured to determine the frequency information for a subset of the plurality of time points;
Apparatus according to claim 1.
前記プロセッサは、前記複数の時点に基づき前記周波数情報を求める際にさらに、
パワースペクトル、標準偏差、分散、又はフーリエエントロピーのうち少なくとも1つに基づいて、前記複数の時点についてスペクトル解析を行うことにより、前記周波数情報を求める
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
When determining the frequency information based on the plurality of time points, the processor further:
configured to determine the frequency information by performing spectral analysis for the plurality of time points based on at least one of power spectrum, standard deviation, variance, or Fourier entropy;
Apparatus according to claim 1.
前記プロセッサは、前記生体サンプルの画像を生成する際にさらに、
前記生体サンプルの超解像度画像を生成する
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
The processor, when generating the image of the biological sample, further:
configured to generate a super-resolution image of the biological sample;
Apparatus according to claim 1.
前記プロセッサは、前記生体サンプルの超解像度画像を生成する際にさらに、
ハイブリッド二重対角化正則化処理と全画像アフィン変換幾何ワーピング処理とによるガウスニュートン非線形最小二乗最小化の実行に基づいて前記生体サンプルの前記超解像度画像を生成する
ように構成されている、
請求項19記載の装置。
The processor, when generating the super-resolution image of the biological sample, further:
configured to generate the super-resolution image of the biological sample based on performing Gauss-Newton nonlinear least-squares minimization with a hybrid bidiagonalization regularization process and a full-image affine transform geometric warping process;
20. Apparatus according to claim 19.
前記生体サンプルは生体組織を含む、
請求項1記載の装置。
wherein the biological sample comprises biological tissue;
Apparatus according to claim 1.
前記生体サンプルは二次元培養又は三次元培養を含む、
請求項1記載の装置。
the biological sample comprises a two-dimensional culture or a three-dimensional culture;
Apparatus according to claim 1.
前記生体サンプルはスフェロイド、オーガノイド、又は臓器チップのうち少なくとも1つを含む、
請求項22記載の装置。
said biological sample comprises at least one of a spheroid, an organoid, or an organ chip;
23. Apparatus according to claim 22.
前記干渉計は、拡張焦点深度(EDOF)技術を用いて前記干渉情報を取得するように構成されている、
請求項1記載の装置。
wherein the interferometer is configured to obtain the interferometric information using an extended depth of focus (EDOF) technique;
Apparatus according to claim 1.
前記干渉計はさらに、位相情報又は強度情報のうち少なくとも1つを含む前記干渉情報を取得するように構成されており、
前記プロセッサは、前記干渉情報を処理して前記生体サンプルの画像を生成する際に、さらに、
前記位相情報又は前記強度情報のうち少なくとも1つに基づいて前記生体サンプルの前記画像を生成するように前記干渉情報を処理する、
請求項1記載の装置。
the interferometer is further configured to obtain the interference information including at least one of phase information or intensity information;
The processor, when processing the interference information to generate an image of the biological sample, further comprising:
processing the interference information to generate the image of the biological sample based on at least one of the phase information or the intensity information;
Apparatus according to claim 1.
前記プロセッサは、前記周波数情報を求める際にさらに、
前記周波数情報のリアルタイム推定を提供することに基づいて前記周波数情報を求める
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
When obtaining the frequency information, the processor further:
configured to determine the frequency information based on providing a real-time estimate of the frequency information;
Apparatus according to claim 1.
前記プロセッサは、前記周波数情報のリアルタイム推定を提供する際にさらに、
移動標準偏差又は移動分散に基づいて前記周波数情報のリアルタイム推定を提供する
ように構成されている、
請求項26記載の装置。
The processor, in providing a real-time estimate of the frequency information, further comprising:
configured to provide a real-time estimate of said frequency information based on moving standard deviation or moving variance;
27. Apparatus according to claim 26.
前記干渉計はさらに、二次元スキャンパターンを用いて複数の時点において前記干渉情報を取得するように構成されており、
前記プロセッサは、前記干渉情報を処理して前記生体サンプルの画像を生成する際に、さらに、
前記生体サンプルの三次元画像を生成するように前記干渉情報を処理する
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
the interferometer is further configured to acquire the interference information at multiple points in time using a two-dimensional scan pattern;
The processor, when processing the interference information to generate an image of the biological sample, further comprising:
configured to process the interference information to generate a three-dimensional image of the biological sample;
Apparatus according to claim 1.
前記干渉計はさらに、ラスタスキャンパターンを用いて複数の時点において前記干渉情報を取得するように構成されており、
前記プロセッサは、前記干渉情報を処理して前記生体サンプルの画像を生成する際に、さらに、
前記生体サンプルの三次元画像を生成するように前記干渉情報を処理する
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
the interferometer is further configured to acquire the interference information at multiple points in time using a raster scan pattern;
The processor, when processing the interference information to generate an image of the biological sample, further comprising:
configured to process the interference information to generate a three-dimensional image of the biological sample;
Apparatus according to claim 1.
前記プロセッサは、前記周波数情報の空間マップを生成する際にさらに、
前記空間マップの特定に基づいてレポートを生成する
ように構成されている、
請求項1記載の装置。
The processor, in generating the spatial map of the frequency information, further comprising:
configured to generate a report based on identifying the spatial map;
Apparatus according to claim 1.
生体サンプルから画像データ及び機能データを得るための方法であって、
干渉計を用いて、複数の時点において撮像平面に沿って、前記生体サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得することと、
ただし前記撮像平面の少なくとも1つの軸は、深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸であり、
前記干渉計から前記干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサを用いて、前記干渉情報を処理して前記撮像平面に沿った前記生体サンプルの画像を生成することと、
前記プロセッサを用いて、前記干渉情報の前記複数の時点に基づき、前記生体サンプルの力学的機能により引き起こされた時間変調を反映した周波数情報を求めることと、
前記プロセッサを用いて、前記画像に対する前記周波数情報の空間マップであって前記生体サンプルの前記力学的機能を示す空間マップを生成することと、
を含むことを特徴とする方法。
A method for obtaining image data and functional data from a biological sample, comprising:
obtaining, with an interferometer, interference information based on radiation provided by interference of the biological sample with a reference along an imaging plane at multiple times;
provided that at least one axis of the imaging plane is an axis along at least a depth dimension or an axial dimension;
processing the interference information to generate an image of the biological sample along the imaging plane with a processor configured to receive the interference information from the interferometer;
determining, with the processor, frequency information reflecting temporal modulation induced by mechanical features of the biological sample based on the plurality of time points of the interference information;
generating, with the processor, a spatial map of the frequency information for the image, the spatial map indicating the mechanical function of the biological sample;
A method comprising:
前記周波数情報を求めることはさらに、
前記生体サンプルの前記力学的機能によって引き起こされた前記干渉情報の時間的変動を特定すること
を含む、
請求項31記載の方法。
Determining the frequency information further comprises:
identifying temporal variations in the interferometric information caused by the mechanical function of the biological sample;
32. The method of claim 31.
前記時間的変動を特定することはさらに、
前記生体サンプルの細胞内運動により生じた変動を特定するために前記時間的変動のパワー周波数解析を行うこと
を含む、
請求項32記載の方法。
Identifying the temporal variation further comprises:
performing a power frequency analysis of the temporal variations to identify variations caused by intracellular motion of the biological sample;
33. The method of claim 32.
前記画像は複数の部分領域を有し、
前記方法はさらに、前記複数の部分領域のうち少なくとも1つについて前記パワー周波数解析を個別に行うことを含む、
請求項33記載の方法。
the image has a plurality of sub-regions,
The method further includes separately performing the power frequency analysis for at least one of the plurality of sub-regions.
34. The method of claim 33.
前記干渉計はさらに、
前記干渉計を用いて、少なくとも24時間の縦断的調査中の複数の時点において前記干渉情報を取得し、
前記プロセッサを用いて、前記縦断的調査中に前記生体サンプルの力学的機能を追跡する
ように構成されている、
請求項34記載の方法。
The interferometer further comprises:
obtaining the interference information at multiple time points during a longitudinal study of at least 24 hours using the interferometer;
configured to track, with the processor, the mechanical function of the biological sample during the longitudinal study;
35. The method of claim 34.
前記縦断的調査中に前記生体サンプルに薬物を適用することをさらに含む、
請求項35記載の方法。
further comprising applying a drug to the biological sample during the longitudinal study;
36. The method of claim 35.
前記薬物は化学療法薬物である、
請求項36記載の方法。
said drug is a chemotherapeutic drug;
37. The method of claim 36.
信号の周波数成分を数値化するために周波数スペクトルのエントロピーを求めることをさらに含む、
請求項32記載の方法。
determining the entropy of the frequency spectrum to quantify the frequency content of the signal;
33. The method of claim 32.
前記干渉計はマイクロOCTシステムの一部である、
請求項31記載の方法。
the interferometer is part of a micro-OCT system;
32. The method of claim 31.
前記干渉計は、前記干渉情報を取得する際にさらに、
前記マイクロOCTシステムを用いて、前記干渉情報のラテラル方向の解像度を少なくとも2μm又はアキシャル方向の解像度を少なくとも1μmとする、
請求項39記載の方法。
When acquiring the interference information, the interferometer further:
using the micro-OCT system to achieve a lateral resolution of at least 2 μm or an axial resolution of at least 1 μm;
40. The method of claim 39.
前記生体サンプルは生体内組織を含む、
請求項31記載の方法。
wherein the biological sample comprises in vivo tissue;
32. The method of claim 31.
前記干渉情報はマイクロOCTフレームであり、
前記干渉情報を処理して前記撮像平面に沿った前記生体サンプルの画像を生成することは、さらに、
前記マイクロOCTフレームに局所正規化及びガウシアンフィルタ処理を施して処理済みフレームを生成することと、
中心のフレームを参照として、前記各処理済みフレームについて弾性アンワーピング変換マトリクスを計算することと、
前記変換マトリクスを前記マイクロOCTフレームに適用することと、
を含む、
請求項31から41までのいずれか1項記載の方法。
the interference information is a micro OCT frame;
Processing the interference information to generate an image of the biological sample along the imaging plane further comprises:
subjecting the micro-OCT frame to local normalization and Gaussian filtering to generate a processed frame;
calculating an elastic unwarping transformation matrix for each processed frame with reference to a center frame;
applying the transform matrix to the micro-OCT frames;
including,
42. The method of any one of claims 31-41.
前記干渉情報を取得することはさらに、
前記干渉計を用いて、ガルバノメータを使用して関心領域において撮像ビームをラテラル方向に繰り返し走査することにより、前記ガルバノメータのスキャンレートによって定められる周波数で前記干渉情報を取得する
ように構成されている、
請求項31記載の方法。
Obtaining the interference information further includes:
configured to use the interferometer to repeatedly scan an imaging beam laterally in a region of interest using a galvanometer to obtain the interference information at a frequency determined by a scan rate of the galvanometer;
32. The method of claim 31.
前記干渉情報を取得することはさらに、
前記干渉計を用いて、ラテラル方向の関心領域において撮像ビームを複数のスキャンでステップ状に横断させることと、
前記干渉計を用いて、前記複数の各スキャン中に前記ラテラル方向の関心領域において等間隔の位置で停止することにより、Aラインレートにより定まるレートでAラインの系列を取得することと、
を含む、請求項31記載の方法。
Obtaining the interference information further includes:
stepping an imaging beam across a lateral region of interest with the interferometer in multiple scans;
acquiring a series of A-lines at a rate determined by the A-line rate by stopping at equally spaced positions in the lateral region of interest during each of the plurality of scans with the interferometer;
32. The method of claim 31, comprising:
さらに、
ラテラル方向シフトの量を測定するために少なくとも2つの画像フレーム間の相互相関を求めることと、
前記ラテラル方向シフトを補正するために前記少なくとも2つの画像フレームに画像レジストレーションアルゴリズムを適用することと、
を含む、
請求項31記載の方法。
moreover,
cross-correlating between at least two image frames to measure the amount of lateral shift;
applying an image registration algorithm to the at least two image frames to correct for the lateral shift;
including,
32. The method of claim 31.
前記干渉計はマイクロOCTシステムの一部であり、
前記干渉情報を処理して前記生体サンプルの画像を生成することは、さらに、
アキシャル方向におけるマイクロOCT強度の深度依存の減衰を補正すること
を含む、
請求項31記載の方法。
said interferometer being part of a micro-OCT system;
Processing the interference information to generate an image of the biological sample further comprises:
correcting for depth-dependent attenuation of micro-OCT intensity in the axial direction;
32. The method of claim 31.
前記周波数情報を求めることはさらに、
前記複数の時点のサブセットについて前記周波数情報を求めること
を含む、
請求項31記載の方法。
Determining the frequency information further comprises:
determining the frequency information for a subset of the plurality of time points;
32. The method of claim 31.
サンプルから画像データ及び機能データを得るための装置であって、
撮像平面に沿って、前記サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得するための干渉計であって、前記撮像平面の少なくとも1つの軸は、深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸である干渉計と、
前記干渉計から前記干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサと、
を備えており、
前記プロセッサは、
前記干渉情報を処理して前記撮像平面に沿った前記サンプルの画像を生成し、
前記サンプルにより生じた時間的変動の周波数解析を行う
ように構成されており、
前記解析は、
前記干渉情報のスペクトル情報を求めることと、
前記スペクトル情報を複数の周波数範囲にビニング処理することと、
前記複数の各周波数範囲に対応する複数の色を含む擬似カラーコンポジット画像であって、前記サンプル内の細胞内運動の差に相当するコントラスト部分を含む擬似カラーコンポジット画像を生成することと、
を含むことを特徴とする装置。
An apparatus for obtaining image data and functional data from a sample, comprising:
An interferometer for obtaining interference information based on radiation provided by interference of said sample with a reference along an imaging plane, wherein at least one axis of said imaging plane is in a depth dimension or an axial dimension. an interferometer that is at least partially along an axis;
a processor configured to receive the interference information from the interferometer;
and
The processor
processing the interference information to generate an image of the sample along the imaging plane;
configured to perform a frequency analysis of temporal variations caused by the samples;
The analysis is
determining spectral information of the interference information;
binning the spectral information into a plurality of frequency ranges;
generating a pseudo-color composite image including a plurality of colors corresponding to each of the plurality of frequency ranges, the pseudo-color composite image including contrast portions corresponding to differences in intracellular motion within the sample;
An apparatus comprising:
前記時間的変動は、前記サンプル内の細胞内運動又は前記サンプルの力学的機能のうち少なくとも1つにより生じるものである、
請求項48記載の装置。
the temporal variation is caused by at least one of intracellular movement within the sample or a mechanical function of the sample;
49. Apparatus according to claim 48.
生体サンプルから画像データ及び機能データを得るための装置であって、
複数の時点において撮像平面に沿って、前記生体サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得するように構成された干渉計であって、前記撮像平面の少なくとも1つの軸は、深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸である干渉計と、
前記干渉計から前記干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサと、
を備えており、
前記プロセッサは、
前記干渉情報を処理して、前記撮像平面に沿った複数の画素を有する前記生体サンプルの画像を生成し、
前記複数の時点で取得された前記干渉情報の時間変調であって前記生体サンプルの力学的機能により引き起こされた時間変調の時間周波数解析を用いることにより前記複数の各画素について周波数スペクトルを推定し、
前記生体サンプルの前記力学的機能を前記画像に空間的にマッピングするレポートを生成する
ように構成されていることを特徴とする装置。
An apparatus for obtaining image data and functional data from a biological sample, comprising:
An interferometer configured to acquire interference information based on radiation provided by interference of the biological sample with a reference at a plurality of time points along an imaging plane, wherein at least one axis of the imaging plane. is an interferometer whose axis is at least partially along the depth dimension or the axial dimension;
a processor configured to receive the interference information from the interferometer;
and
The processor
processing the interference information to generate an image of the biological sample having a plurality of pixels along the imaging plane;
estimating a frequency spectrum for each of the plurality of pixels by using a time-frequency analysis of the temporal modulation of the interferometric information acquired at the plurality of time points and caused by mechanical features of the biological sample;
A device configured to generate a report spatially mapping the mechanical features of the biological sample to the image.
前記干渉計は、空間的にオフセットした2つの放射ビームを用いて、位相分解干渉情報を含む前記干渉情報を複数の時点で取得するように構成されている、
請求項50記載の装置。
wherein the interferometer is configured to acquire the interferometric information, including phase-resolved interferometric information, at multiple time points using two spatially offset beams of radiation;
51. Apparatus according to claim 50.
前記プロセッサは、前記干渉情報を処理して前記生体サンプルの画像を生成する際に、さらに、
一対の画像を生成するように前記干渉情報を処理する
ように構成されており、
前記一対の各画像の前記干渉情報は、前記撮像平面内の交番するAラインにより生じるものである、
請求項51記載の装置。
The processor, when processing the interference information to generate an image of the biological sample, further comprising:
configured to process the interference information to generate a pair of images;
the interference information for each image of the pair is generated by alternating A-lines in the imaging plane;
52. Apparatus according to claim 51.
前記プロセッサは、前記干渉情報を処理して前記生体サンプルの画像を生成する際に、さらに、
前記一対の画像を処理して位相差画像を生成する
ように構成されている、
請求項52記載の装置。
The processor, when processing the interference information to generate an image of the biological sample, further comprising:
configured to process the pair of images to generate a phase contrast image;
53. Apparatus according to claim 52.
生体サンプルから画像データ及び機能データを得るための方法であって、
干渉計を用いて複数の時点において、少なくとも1つの軸が深度次元又はアキシャル次元に少なくとも部分的に沿った軸である撮像平面に沿って、前記生体サンプルが参照と干渉することにより提供される放射に基づく干渉情報を取得することと、
前記干渉計から前記干渉情報を受け取るように構成されたプロセッサを用いて、前記干渉情報を処理して前記撮像平面に沿った前記生体サンプルの画像を生成することと、
前記プロセッサを用いて、次元削減解析を使用して、前記干渉情報の前記複数の時点に基づき、前記生体サンプルの力学的機能により引き起こされた時間変調を反映した周波数情報を求めることと、
前記プロセッサを用いて、前記画像に対する前記周波数情報の空間マップであって前記生体サンプルの前記力学的機能を示す空間マップを生成することと、
を含むことを特徴とする方法。
A method for obtaining image data and functional data from a biological sample, comprising:
Radiation provided by interfering said biological sample with a reference along an imaging plane in which at least one axis is along at least partly the depth dimension or the axial dimension at multiple time points using an interferometer. obtaining interference information based on
processing the interference information to generate an image of the biological sample along the imaging plane with a processor configured to receive the interference information from the interferometer;
determining, with the processor, frequency information reflecting temporal modulation induced by mechanical features of the biological sample based on the multiple time points of the interference information using a dimensionality reduction analysis;
generating, with the processor, a spatial map of the frequency information for the image, the spatial map indicating the mechanical function of the biological sample;
A method comprising:
前記次元削減解析は主成分分析(PCA)を含み、
前記周波数情報を求めることは、さらに、
前記周波数情報のパワースペクトルの分散の全部より少ない分散を表す主成分を特定すること
を含み、
前記周波数情報の空間周波数マップを生成することは、さらに、
特定した前記主成分に基づき主成分画像を生成すること
を含み、
前記方法はさらに、
前記主成分画像に基づき周波数パターンを特定する
ことを含む、
請求項54記載の方法。
the dimensionality reduction analysis includes principal component analysis (PCA);
Determining the frequency information further comprises:
identifying principal components representing less than all of the variance of the power spectrum of the frequency information;
Generating a spatial frequency map of the frequency information further comprises:
generating a principal component image based on the identified principal components;
The method further comprises:
identifying a frequency pattern based on the principal component image;
55. The method of claim 54.
前記主成分画像を生成することは、さらに、
前記主成分画像値を可視カラーに対応付けることにより多色画像を生成する
ことを含む、
請求項55記載の方法。
Generating the principal component image further comprises:
generating a multicolor image by mapping the principal component image values to visible colors;
56. The method of claim 55.
前記周波数情報のパワースペクトルの分散の全部より少ない分散を表す主成分を特定することは、さらに、
前記周波数情報のパワースペクトルの分散の大半を表す主成分を特定すること
を含む、
請求項55記載の方法。
Identifying principal components representing less than all of the variance of the power spectrum of the frequency information further comprises:
identifying principal components representing most of the variance of the power spectrum of said frequency information;
56. The method of claim 55.
前記次元削減解析は、主成分分析(PCA)、カーネルPCA、線形判別分析、一般判別分析、UMAP、又はt-SNEのうち少なくとも1つを含む、
請求項54記載の方法。
the dimensionality reduction analysis comprises at least one of principal component analysis (PCA), kernel PCA, linear discriminant analysis, generalized discriminant analysis, UMAP, or t-SNE;
55. The method of claim 54.
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